Biomimetic design and additive manufacturing strategies for multi-scale and multi-material tissue engineering
Authors:   , Martínez Cendrero Adrián 
Published: May 2024

Tissue engineering, as an integral part of regenerative medicine, has a fascinating history and has evolved significantly over time. This field has developed from the field of biomaterials and focuses on the combination of scaffolds, cells and biologically active molecules to create functional tissues. Its main goal is to restore, maintain or improve damaged tissues or entire organs. The first steps towards what we know today as cell culture can be attributed to historical figures such as Paracelsus in the 16th century, who attempted to create human life using a mixture of chemicals, and Rudolf Virchow in the 19th century, who pioneered the cultivation of cells outside the body. However, the development of cell and molecular biology in the 20th century marked the formal beginning of what we know today as tissue engineering and regenerative medicine. Scientists such as Alexis Carrel, who innovated vascular suturing and tissue culture techniques, and Joseph Vacanti and Robert Langer, considered the modern fathers of tissue engineering, played pivotal roles in advancing the field. Their work in creating scaffolds for cell culture ushered in a new era in regenerative medicine.

In particular, tissue engineering has found practical applications in regenerative medicine and in the field of implantology, including the repair of joint injuries, the generation of skin for major burns or the creation of functional organs, such as artificial bladders, among others. These advances have been achieved thanks to a deep understanding of cellular and molecular biology. The present doctoral research focuses on the study of customised tissue scaffold solutions to cover joint pathologies present in lower limbs. Tissue engineering solutions are mainly proposed to cover knee and hip injuries.

Currently, tissue engineering uses scaffolds made of materials such as collagen, hydrogels, nanofibres and biopolymers, meeting criteria of biocompatibility, inertness to the environment, gradual and controlled degradation, adequate porosity and non-toxicity. By applying cell cultures on these scaffolds, it is possible to obtain biologically colonised structures, even going as far as obtaining purely organic implants. Thus, advances in this field have allowed the development of artificial tissues, such as organoids of livers and pancreas, minimum viable portions that emulate part of the physiology, or skin grafts, among others, through techniques such as 3D bioprinting. The generation of these scaffolds generally requires specific porosity for proper cell proliferation, which in turn ensures vascularisation. For this reason, 3D printing represents a promising tool in the sector, as it allows the creation of extremely spatially complex geometries, in part by minimising or even eliminating the post-machining required in conventional manufacturing processes.

This need for new tools and systems to provide new medical breakthroughs is driving the relentless development of technology and materials in the field of 3D printing. Obtaining increasingly sophisticated medical solutions is enabling the study of new pathologies or the paradigm shift of traditional treatments, providing new possibilities that can improve the patients treatment, intervention or rehabilitation process.

Moreover, new emerging technologies allow the combination of materials, offering the possibility of manufacturing hybrid solutions composed of polymers, biogels, metals or ceramics, among others. This fact, together with the ability to manufacture geometries with a high degree of difficulty in terms of their spatial distribution and the high degree of product customisation, position this type of technology as a promising alternative capable of replicating the uniqueness that each living organism possesses. Indeed, the human body is very similar between individuals of the species in general, but unique when considering its anatomy in detail and in a particular way. This fact helps to understand the potential of such additive manufacturing technologies in the biomedical field.

Fused filament manufacturing (FFF), stereolithography (SLA) or digital light projection (DLP), inkjet, sintering (SLS) or laser melting (SLM) systems are some of the most common 3D printing technologies in the medical sector. Generally, these technologies are classified according to the origin of the materials they can print. For example, for ceramic lithography manufacturing (LCM), ceramic materials are commonly referred to as ceramic 3D printing, which means that these materials are compatible for this type of system, but others are not. Many of these technologies have versions capable of combining materials, usually from the typology. For example, a multi-material fused filament deposition system can combine different types of polymers. An obvious advantage of these systems is the printing of removable support material, facilitating post-processing of the product and improving its final quality. Other more recent approaches, however, seek to provide functionality to their products by combining different materials from different categories, which in practice allows areas of the same part with different mechanical properties to be obtained, among many other applications.

In relation to this last concept, the European research project no. 953134, INKplant: Ink-based hybrid multi-material fabrication of next generation implants, of the European framework programme for research, development and innovation “Horizon 2020”, should be presented. This doctoral thesis document has been developed in parallel to the achievement of this project, given the author’s professional relationship with it, being part of the design work team of the project at the UPM. Thus, among other objectives, the INKplant project pursues the design, manufacture, evaluation and validation of a new generation of hybrid and biomimetic implants, which through the combination of different materials and technologies allow obtaining multi-scale, multi-functional and multi-material solutions, capable of replicating the conditions existing in the human organism in terms of mechanobiological properties. To this end, it has a consortium of 19 members from 7 mostly European countries. Participants include technology developers, materials developers, research institutes and centres, universities, hospitals and regulatory bodies.

In consecuence, the main objective of the PhD thesis is investigating and validating the synergic applicability of computational modelling tools, rapid prototyping resources and high-performance additive manufacturing technologies for achieving functionally graded, multi-scale and multi-material tissue engineering scaffolds for reconstructing critical sized articular defects involving bone and cartilage. The aim of this methodology is to enable the production of biomimetic implants, being validated through three case studies, and oriented to additive manufacturing processes. To this end, mechanical engineering techniques have been developed and applied to health. By means of finite element simulations and mechanical and biological tests, the behaviour of the proposed solutions has been evaluated. Thus, the first chapters describe the state of the art and the software tools, 3D printing technologies and materials used to achieve the objectives.

Chapter 4 describes the creation of a library of tissue scaffold structures for tissue engineering applications that has been openly published. The aim is to develop a methodology that promotes repeatability and replicability of the process, following a multi-functional, multi-scale, multi-material approach, which lays the foundation for further work.

Chapter 5 will describe the methods and approaches applied to achieve rapid prototyping strategies. This stage of the work is conceived as a validation of the original idea to check its feasibility. In this way, the first hybrid prototypes are obtained by combining vacuum casting processes in sacrificial moulds obtained by using more conventional 3D printing technologies, such as fused filament manufacturing or systems based on stereolithography principles.

Subsequent chapters culminate the thesis with the study of the 3 articular case studies. Total meniscus implantation is approached by means of 2 different strategies. Depending on the fabrication technologies used, in this case PolyJet and silicon Liquid Deposition Modelling (LDM). Two different concepts will be presented, taking into account the relevant considerations and constraints adapted according to the printing modality.

The osteochondral defect represents an ideal candidate for implementing a multi-material and multi-functional repair, as both bone tissue and cartilage are often affected in this type of pathology. A hybrid and multifunctional implant is therefore proposed for this task, obtained from the combination of materials from different families with different mechanical properties. Using LCM and inkjet technology, a hybrid concept is developed that combines bioactive ceramics for the hard phase of the implant, corresponding to the bone zone, with biodegradable polymers for the soft phase, which recreates cartilage conditions.

For the hip implant, the fabrication of a short stem hip prosthesis is addressed. A new approach to its design, calculation and topological optimisation is described, based on information obtained from finite element mechanical simulations. It is shown that it is possible to lighten an implant with a benefit from the mechanobiological point of view, reducing the effect of stress shielding in the implanted bone area, which results in an improvement in the patient’s quality of life and an increase in the longevity of the implant.

Finally, the doctoral thesis closes with a chapter that includes the general conclusions of the work, the new avenues of research that have arisen from this work and the technological scientific impact generated. In conclusion, this doctoral thesis offers an in-depth vision of the new capabilities and possibilities that the development of new design and optimisation methodologies, oriented towards the implementation of high-performance additive manufacturing technologies, can have in the field of tissue engineering and regenerative medicine. The aim is to establish new design flows conceived to obtain tissue scaffolds customised to the patient, as well as innovative topological optimisation processes. All this, while maintaining a multi-scale, multifunctional and multi-material approach that makes it possible to obtain new cutting-edge families of biomimetic implants. This doctoral work aims to highlight the need to enhance and exploit the personalisation of medical solutions for patients in this field of medicine, generating a positive impact on patients’ quality of life.

RESUMEN

La ingeniería de tejidos, como parte integral de la medicina regenerativa, tiene una historia fascinante y ha evolucionado significativamente a lo largo del tiempo. Este ámbito se ha desarrollado a partir del campo de los biomateriales y se enfoca a la combinación de andamios, células y moléculas biológicamente activas para crear tejidos funcionales. Su objetivo principal es restaurar, mantener o mejorar tejidos dañados u órganos completos. Los primeros pasos hacia lo que hoy conocemos como cultivo celular pueden atribuirse a figuras históricas como Paracelso en el siglo XVI, quien intentó crear vida humana utilizando una mezcla de sustancias químicas, y Rudolf Virchow en el siglo XIX, quien fue pionero en el cultivo de células fuera del cuerpo. Sin embargo, el desarrollo de la biología celular y molecular en el siglo XX marcó el inicio formal de lo que hoy conocemos como ingeniería tisular y medicina regenerativa. Científicos como Alexis Carrel, que innovó las técnicas de sutura vascular y cultivo de tejidos, y Joseph Vacanti y Robert Langer, considerados los padres modernos de la ingeniería tisular, desempeñaron papeles fundamentales en el avance de este campo. Su trabajo en la creación de andamiajes para el cultivo celular marcó el comienzo de una nueva era en la medicina regenerativa.

Particularmente, la ingeniería de tejidos ha encontrado aplicaciones prácticas en la medicina regenerativa y en el campo de la implantología, incluyendo la reparación de lesiones articulares, la generación de piel para grandes quemaduras o la creación de órganos funcionales, como vejigas artificiales entre otros. Estos avances han sido alcanzados gracias a un profundo entendimiento de la biología celular y molecular. La presente investigación doctoral se centra en el estudio de soluciones de andamios tisulares personalizados para cubrir patologías articulares presentes en miembros inferiores. Se proponen principalmente soluciones de ingeniería de tejidos para cubrir lesiones de rodilla y cadera.

En la actualidad, la ingeniería de tejidos utiliza andamios fabricados de materiales como colágeno, hidrogeles, nanofibras y biopolímeros, cumpliendo criterios de biocompatibilidad, inertes al medio, degradación gradual y controlada, porosidad adecuada y no toxicidad. Mediante aplicación de cultivos celulares sobre estos andamios es posible obtener estructuras colonizadas biológicamente, llegando a incluso a la obtención de implantes puramente orgánicos. Así, los avances en este campo han permitido el desarrollo de tejidos artificiales, como organoides de hígados y páncreas, porciones mínimas viables que emulan parte de la fisiología, o injertos de piel, entre otros, a través de técnicas como la bioimpresión 3D. La generación de estos andamios requiere por lo general de una porosidad específica para la correcta proliferación celular que a su vez garantice la vascularización. Por este motivo, la impresión 3D representa una herramienta prometedora en el sector, ya que permite la creación de geometrías extremadamente complejas desde el punto de vista espacial, en parte gracias a la minimización o incluso la eliminación de los post-mecanizados necesarios en los procesos de fabricación convencionales.

Esta necesidad de nuevas herramientas y sistemas para proporcionar nuevos avances médicos está ocasionando un incesable desarrollo de tecnología y materiales en el ámbito de la impresión 3D. La obtención de soluciones médicas cada vez más sofisticadas está permitiendo el estudio de nuevas patologías o el cambio de paradigma de tratamientos tradicionales, aportando nuevas posibilidades que puedan mejorar el proceso de tratamiento, intervención o rehabilitación del paciente.

Además, las nuevas tecnologías emergentes permiten la combinación de materiales, ofreciendo la posibilidad de fabricar soluciones híbridas compuestas por polímeros, biogeles, metales o cerámicos entre otros. Este hecho, unido a la capacidad de fabricar geometrías con un alto grado de dificultad en cuanto a su distribución espacial y el alto grado de personalización del producto, posicionan este tipo de tecnologías como una alternativa prometedora capaz de replicar la singularidad que cada uno de los organismos vivos posee. En efecto, el cuerpo humano es muy similar entre los distintos individuos de la especie con carácter general, pero único si se considera su anatomía al detalle y de manera particular. Este hecho ayuda a entender el potencial que este tipo de tecnologías de fabricación aditiva tiene en el ámbito biomédico.

La fabricación por filamento fundido (FFF), los sistemas de estereolitografía (SLA) o de proyección digital de luz (DLP), de inyección de tinta (inkjet), sinterizado (SLS) o de fusión láser (SLM) son algunas de las tecnologías de impresión 3D más presentes en el sector de la medicina. Generalmente, estas tecnologías se clasifican en función del origen de los materiales que pueden imprimir. Por ejemplo, para fabricación cerámica por litografía (LCM) se suele hablar comúnmente de impresión 3D de materiales cerámicos, lo que significa que estos materiales son compatibles para este tipo de sistema, pero otros no. Muchas de estas tecnologías presentan versiones capaces de combinar materiales, en general provenientes de la tipología. Por ejemplo, un sistema multimaterial de deposición de filamento fundido puede combinar distintos tipos de polímeros. Una ventaja evidente de estos sistemas es la impresión de material de soporte removible, facilitando el postprocesado del producto y mejorando su calidad final. Sin embargo, otros enfoques más recientes, buscan dotar de funcionalidad a sus productos mediante la combinación de distintos materiales, de distintas categorías, lo que en la práctica permite obtener zonas de una misma pieza con diferentes propiedades mecánicas, entre otras muchas aplicaciones.

Con relación a este último concepto, cabe presentar el proyecto de investigación europeo nº 953134, INKplant: Ink-based hybrid multi-material fabrication of next generation implants, del programa marco europeo de investigación, desarrollo e innovación “Horizonte 2020”. El presente documento de tesis doctoral ha sido desarrollado en paralelo a la consecución de dicho proyecto, dada la situación de vinculación profesional del autor con el mismo, formando parte del equipo de trabajo de diseño del proyecto en la UPM. Así, entre otros objetivos, el proyecto INKplant persigue el diseño, fabricación, evaluación y validación de una nueva generación de implantes híbridos y biomiméticos, que mediante la combinación de distintos materiales y tecnologías permitan la obtención de soluciones multiescala, multifuncionales y multimateriales, capaces de replicar las condiciones existentes en el organismo humano en términos de propiedades mecanobiológicas. Para ello, cuenta con un consorcio de 19 miembros de 7 países mayoritamiente europeos. Entre los participantes se encuentran desarrolladores de tecnología, desarrolladores de materiales, institutos y centros de investigación, universidades, hospitales y organismos de regulación.

Por consiguiene, el objetivo principal de la tesis doctoral es investigar y validar la aplicabilidad sinérgica de las herramientas de modelado computacional, los recursos de prototipado rápido y las tecnologías de fabricación aditiva de alto rendimiento para conseguir andamios de ingeniería tisular multiescala y multimaterial multifuncionales, para reconstruir defectos articulares de tamaño crítico que afecten a hueso y cartílago. La aplicación de dicha metodología persigue la obtención de nuevas vías para la obtención de implantes biomiméticos, siendo validada a través de tres casos de estudio, y orientada a procesos de fabricación aditiva. Para ello, se han desarrollado y aplicado técnicas de la ingeniería mecánica a la salud. Mediante simulaciones de elementos finitos y ensayos mecánicos y biológicos, se han evaluado el comportamiento de las soluciones propuestas. Así, en los primeros capítulos se describen el estado del arte y las herramientas de software, tecnologías de impresión 3D y los materiales empleados para la consecución de los objetivos.

El capítulo 4 recoge la creación de una biblioteca de estructuras de andamios tisulares para aplicaciones de ingeniería de tejidos que ha sido publicada de forma abierta. Se persigue el propósito de desarrollar una metodología que fomente la repetibilidad y la replicabilidad del proceso, siguiendo un enfoque multifuncional, multiescala y multimaterial, que siente las bases del trabajo posterior.

En el capítulo 5 se describirán los métodos y maneras aplicados para la consecución de estrategias de prototipado rápido. Entiéndase esta etapa del trabajo como una validación de la idea original para comprobar su viabilidad. Se obtienen de esta manera los primeros prototipos híbridos combinando procesos colada al vacío en moldes de sacrificio obtenidos mediante el uso de tecnologías de impresión 3D más convencionales, como la fabricación de filamento fundido o sistemas basados en principios de estereolitografía.

Los capítulos posteriores culminan la tesis con el estudio de los 3 casos de estudio articulares. El implante total de menisco se aborda por medio de 2 estrategias diferentes. En función de las tecnologías de fabricación empleadas, en este caso PolyJet y modelado por deposición líquida de silicona. Se presentarán dos conceptos diferentes que contemplan las consideraciones y las limitaciones pertinentes adaptadas en función de la modalidad de impresión.

El defecto osteocondral representa un candidato idóneo para implementar una reparación multimaterial y multifuncional, dado que tanto tejido óseo como el cartílago se suelen ver afectados en este tipo de patología. Se propone por tanto un implante hibrido y multifuncional para esta tarea, obtenido a partir de la combinación de materiales de distintas familias con distintas propiedades mecánicas. Mediante el uso de tecnologían LCM e inkjet se desarrolla un concepto híbrido que combine cerámicas bioactivas para la fase dura del implante, correspondiente a la zona ósea, con polímeros biodegradables para la fase blanda, que recrea las condiciones del cartílago.

En cuanto al implante de cadera, se aborda la fabricación de una prótesis corta de cadera. Se describe una nueva aproximación a su diseño, cálculo y optimización topológica, a partir de información obtenida por medio de simulaciones mecánicas por elementos finitos. Se demuestra que es posible aligerar un implante repercutiendo en un beneficio desde el punto de vista mecanobiológico, reduciendo el efecto de apantallamiento de tensiones en la zona del hueso implantado, lo que repercute en una mejora en la calidad de vida del paciente y un aumento en la longevidad del implante.

Finalmente, cierra la tesis doctoral el capítulo que recoge las conclusiones generales del trabajo, las nuevas vías de investigación surgidas a partir de este trabajo y el impacto científico tecnológico generado. En conclusión, esta tesis doctoral ofrece una visión profunda de las nuevas capacidades y posibilidades que el desarrollo de nuevas metodologías de diseño y optimización, orientadas a la implementación de tecnologías de fabricación aditiva de altas prestaciones, pueden repercutir en el ámbito de la ingeniería de tejidos y la medicina regenerativa. Se pretende establecer nuevos flujos de diseño concebidos para la obtención de andamios tisulares personalizados al paciente, así como procesos de optimización topológica innovadores. Todo ello, manteniendo un enfoque multiescala, multifuncional y multimaterial que posibilite la obtención de nuevas familias vanguardistas de implantes biomiméticos. El presente trabajo doctoral persigue poner de manifiesto la necesidad de potenciar y explotar la personalización de las soluciones médicas a los pacientes en este ámbito de la medicina, generando un impacto positivo en la calidad de vida de los pacientes.