Modern approaches and possibilities of application of 3D modeling for tissue engineering and bone regeneration. Literature review

Abstract

За останні десятиліття полімери та біоматеріали (полімолочна кислота (PLA), полікапролактон (PCL) та гідроксиапатит (HA)) створили реальну альтернативу в ортопедії, хірургії та серцевій хірургії традиційним металам, завдяки можливості елімінації після реалізації своєї функції. А прогрес в 3D проектуванні та можливість залучення технологій 3D друку для створення об’ємних структур, дає змогу вивести сучасну науку на більш якісний рівень. Матеріали та методи. У науковому дослідженні проведений огляд літературних джерел щодо методик для тканинної інженерії: 3D-друк, моделювання плавленим осадженням, 3D біосхема, вибіркове лазерне спікання та стереолітографія. Результати.Розробка індивідуальних матеріалів, що здатні до біологічного розпаду полімерів та є біосумісними, окремо чи в поєднанні з мінеральними складовими, дає змогу отримувати матеріали для 3D принту з механічними властивостями та хімічною стабільністю, що придатні до використання в регенерації кісткової тканини. Механічні властивості поєднаних скафолдів можуть використовуватися в трабекулярній кістці, адже відповідають механічним характеристикам останньої. Можливість контролю деградації залежить від складу кополімеру, при цьому демонструючи покращення в результаті включення мінеральних фаз –гідроксиапатит. Адже, НА посилює деградацію сополімерів на основі PClта PLA. Використання даних матеріалів під час виготовлення тривимірних структур методом прямого 3D друку дає можливість суттєвого зменшення витрати ресурсів і часу. Можливість корекції архітектури каркасу та пористості призводить до появи додаткових важелів балансу та контролю в напрямку резорбції наноматеріалу, а саме можливості створення штучної кістки.

In recent decades, polymers and biomaterials (polylactic acid (PLA), polycaprolactone (PCL) and hydroxyapatite (HA)) have created a real alternative in orthopedics, surgery, and cardiac surgery to traditional metals, thanks to the possibility of elimination after the implementation of their function. Progress in 3D design and the possibility of involving 3D printing technologies to create three-dimensional structures makes it possible to bring modern science to a higher quality level. Materials and methods.The author selected more than 50 scientific works from the world literature on the problems on techniques for tissue engineering: fused deposition modeling, 3D printing, 3D bio circuitry, stereolithography, and selective laser sintering. Results.The development of individual materials that are capable of biodegrading polymers and are biocompatible, alone or in combination with mineral components, makes it possible to obtain materials for 3D printing with mechanical properties and chemical stability suitable for use in bone tissue regeneration. The mechanical properties of the combined scaffolds can be used in the trabecular bone because they correspond to the mechanical characteristics of the latter. The ability to control degradation depends on the composition of the copolymer while demonstrating improvement as a result of the inclusion of mineral phases -hydroxyapatite. After all, HA enhances the degradation of copolymers based on PCl and PLA. The use of these materials during the production of three-dimensional structures by the method of direct 3D printing makes it possible to significantly reduce the consumption of resources and time. The possibility of correcting the framework architecture and porosity leads to the appearance of additional levers of balance and control in the direction of resorption of the nanomaterial, namely the possibility of creating artificial bone.