Evaluating the effect of pore size for 3d-printed bone scaffolds

Saran Seehanam, Suppakrit Khrueaduangkham, Chomdao Sinthuvanich, Udom Sae-Ueng, Viritpon Srimaneepong, Patcharapit Promoppatum

Lien vers le texte complet : https://www.cell.com/heliyon/fulltext/S2405-8440(24)02036-X?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS240584402402036X%3Fshowall%3Dtrue

Evaluating the effect of pore size for 3d-printed bone scaffolds

1. Référence scientifique

• Titre de l’étude : Evaluating the effect of pore size for 3d-printed bone scaffolds
• Auteurs : Saran Seehanam, Suppakrit Khrueaduangkham, Chomdao Sinthuvanich, Udom Sae-Ueng, Viritpon Srimaneepong, Patcharapit Promoppatum
• Journal scientifique : Heliyon, volume 10, e26005
• Année de publication : 2024
• DOI : 10.1016/j.heliyon.2024.e26005

2. Contexte scientifique

La fabrication additive permet de concevoir des structures poreuses dont l’architecture peut être ajustée en fonction des contraintes mécaniques et des interactions attendues avec l’environnement biologique. Dans le domaine des substituts osseux et des implants, cette possibilité est particulièrement intéressante : la porosité doit contribuer à rapprocher le comportement mécanique du dispositif de celui du tissu osseux tout en créant un environnement favorable aux échanges et à la colonisation cellulaire.

La taille des pores ne peut toutefois pas être considérée isolément. Elle modifie notamment la surface spécifique disponible et les conditions d’écoulement à travers la structure. L’étude de Seehanam et al. s’intéresse précisément à cet équilibre en comparant deux architectures en Ti–6Al–4V : une structure à poutrelles de type Diamond et une architecture surfacique Gyroid appartenant à la famille des surfaces minimales triplement périodiques (TPMS).

3. Objectif de l’étude

Les auteurs cherchent à déterminer comment la taille des pores influence les performances de structures osseuses poreuses fabriquées par fusion laser sur lit de poudre. L’évaluation porte sur trois dimensions complémentaires : la fabricabilité, le comportement mécanique et plusieurs paramètres physiques utilisés comme indicateurs indirects du comportement biologique.

L’étude vise également à établir, par une approche combinant expérimentation et simulation numérique, une taille de pore offrant un compromis entre ces différentes propriétés pour les architectures Diamond et Gyroid.

4. Méthodologie

Il s’agit d’une étude expérimentale et numérique préclinique, sans patients et sans implantation in vivo. Les auteurs ont conçu des structures Diamond et Gyroid en maintenant une densité relative théorique de 0,3 et en faisant varier la taille des pores de 300 à 1 300 µm. Les échantillons en Ti–6Al–4V ont été fabriqués par fusion laser sur lit de poudre (LPBF).

La fabricabilité a été étudiée en comparant notamment densités théorique et obtenue. Des essais de compression et des analyses par éléments finis ont exploré les propriétés mécaniques et la distribution des contraintes. Enfin, une simulation CFD avec modèle sanguin non newtonien, complétée par un modèle en phase discrète, a permis d’étudier la perte de charge et l’efficacité théorique d’ensemencement cellulaire. Aucun test biologique propre à cette étude n’a été réalisé.

5. Résultats principaux

La géométrie Gyroid apparaît globalement plus fidèle au modèle prévu après fabrication : lorsque les pores deviennent petits, les deux architectures présentent une augmentation de leur densité réelle, mais l’écart par rapport à la densité théorique est plus marqué pour Diamond. La surface spécifique augmente parallèlement lorsque le diamètre des pores diminue et reste généralement supérieure avec Gyroid.

Sur le plan mécanique, la taille des pores influence relativement peu le module élastique, alors que le comportement après la phase élastique est davantage affecté, particulièrement pour Diamond. Les simulations montrent une concentration des contraintes au niveau des nœuds de cette architecture, tandis que leur répartition est plus homogène avec Gyroid.

L’efficacité simulée d’ensemencement varie approximativement de 2 à 35 % pour Diamond et de 6 à 36 % pour Gyroid entre 300 et 1 300 µm. En combinant surface spécifique, perte de charge et efficacité d’ensemencement, le modèle proposé situe le compromis optimal autour de 500 µm pour les deux architectures.

6. Analyse clinique

Pour l’implantologie et la reconstruction osseuse, l’intérêt principal de cette étude réside moins dans la valeur de 500 µm prise isolément que dans la démonstration d’un compromis de conception. Réduire la taille des pores augmente la surface disponible et, dans le modèle utilisé, favorise l’ensemencement cellulaire. Cette réduction s’accompagne cependant d’une résistance accrue à l’écoulement et de difficultés de fabrication plus importantes. La conception d’une structure poreuse ne peut donc pas être ramenée à la recherche du pore le plus petit ou de la surface la plus élevée.

La comparaison des deux architectures est également instructive. À densité relative théorique identique, Gyroid associe dans cette étude une meilleure fidélité de fabrication, une surface spécifique supérieure et une distribution mécanique des contraintes plus homogène. Ces caractéristiques en font une architecture intéressante à explorer pour la conception numérique de dispositifs poreux.

La portée clinique doit néanmoins rester strictement encadrée. L’étude ne mesure ni l’ostéointégration chez l’être humain, ni la formation osseuse, ni la survie d’implants dentaires. L’efficacité d’ensemencement est issue d’une simulation et ne constitue pas une démonstration biologique. Les auteurs précisent eux-mêmes que leur approche in silico correspond à un outil de présélection et ne peut se substituer à une évaluation biologique.

7. Applications cliniques

Ces résultats concernent principalement la conception de structures poreuses fabriquées en 3D destinées aux dispositifs médicaux et aux échafaudages osseux. Ils peuvent alimenter la réflexion en ingénierie implantaire sur le choix d’une architecture, la taille des pores et la compatibilité entre contraintes de fabrication, comportement mécanique et circulation des fluides.

Dans le champ dentaire, l’article mentionne explicitement les implants et prothèses dentaires parmi les applications des dispositifs médicaux poreux. Il ne teste toutefois aucun protocole de chirurgie orale, de greffe osseuse ou de réhabilitation implantaire chez des patients. Une extrapolation vers une indication clinique précise serait donc prématurée. Les auteurs soulignent d’ailleurs que les dimensions du dispositif, le défaut osseux, l’anatomie, les conditions de mise en charge et la procédure chirurgicale devront être intégrés dans des travaux spécifiques à chaque application.

8. Niveau de preuve, limites et transparence

Le niveau de preuve est préclinique, expérimental et numérique. L’étude apporte des données de fabrication et de mécanique sur des échantillons physiques, mais les paramètres assimilés à une réponse biologique reposent sur des simulations. Il n’existe ni population clinique, ni suivi, ni mesure directe d’ostéointégration.

Les auteurs identifient plusieurs limites importantes : absence d’essais biologiques dans cette étude, non-prise en compte de paramètres susceptibles d’influencer la réponse biologique — notamment les caractéristiques de surface — et nécessité d’étudier ultérieurement des applications et dimensions d’implants spécifiques. La fabricabilité des petites porosités constitue également un point de vigilance.

Les auteurs déclarent ne pas avoir de conflit d’intérêts financier ou personnel connu susceptible d’avoir influencé le travail. Patcharapit Promoppatum est néanmoins affilié, parmi ses affiliations déclarées, à OsseoLabs Co. Ltd. L’étude indique plusieurs financements institutionnels et de fondations. Les auteurs déclarent aussi avoir utilisé ChatGPT pour améliorer la lisibilité du manuscrit, avec relecture et responsabilité finale du contenu par l’équipe scientifique.

9. Points clés de l’étude

• Type d’étude : étude préclinique expérimentale et numérique.
• Niveau de preuve : préclinique ; absence de validation clinique directe.
• Population ou nombre d’études analysées : non applicable.
• Nombre de patients ou d’implants : aucun patient ; nombre total d’échantillons non précisé dans les éléments analysés.
• Durée de suivi : non applicable.
• Critère principal évalué : influence de la taille des pores sur la fabricabilité, les propriétés mécaniques et des indicateurs physiques liés au comportement cellulaire simulé.
• Résultat principal : le critère composite défini par les auteurs situe autour de 500 µm le compromis optimal pour Diamond et Gyroid ; Gyroid obtient de meilleures performances selon ce critère.
• Conclusion scientifique : la taille des pores et l’architecture du réseau doivent être considérées conjointement lors de la conception de structures osseuses poreuses imprimées en 3D.
• Limites éventuelles : absence d’évaluation biologique expérimentale et clinique, résultats biologiques indirects issus de simulations, difficultés de fabrication aux faibles tailles de pores et paramètres de surface non intégrés.

10. Impact scientifique

L’apport de ce travail est avant tout méthodologique. Plutôt que de sélectionner une architecture poreuse sur un paramètre unique, les auteurs proposent une évaluation multidimensionnelle associant fabrication, mécanique, transport des fluides et comportement cellulaire simulé. Cette approche met en évidence les compromis inhérents à la conception d’un échafaudage osseux : une modification géométrique favorable à une propriété peut simultanément en dégrader une autre.

L’identification d’une valeur voisine de 500 µm est cohérente, selon les auteurs, avec plusieurs travaux antérieurs in vitro ou in vivo cités dans l’article. Cette concordance soutient l’intérêt de la modélisation comme méthode de présélection, mais elle ne constitue pas une validation biologique du modèle étudié ici.

L’étude ouvre ainsi une perspective pertinente pour le développement de dispositifs poreux personnalisés : utiliser la simulation pour réduire l’espace des architectures candidates avant d’engager des validations expérimentales et biologiques plus lourdes.

11. Conclusion éditoriale

Cette étude montre que la taille des pores d’un échafaudage osseux imprimé en 3D ne peut être dissociée de son architecture et de ses contraintes de fabrication. Dans les conditions étudiées, Gyroid présente plusieurs avantages par rapport à Diamond et le modèle composite situe un compromis autour de 500 µm. Ces résultats constituent surtout une base d’ingénierie et de présélection numérique. Leur transposition à l’implantologie dentaire ou à la reconstruction osseuse clinique nécessitera des validations biologiques puis cliniques spécifiques.