Dissertação

{en_GB=Computational fluid dynamics simulation of TPMS scaffolds for bone tissue engineering} {} EVALUATED

{pt=Os ossos são uma componente fundamental do corpo humano dada a sua multiplicidade de funções. Assim, a Engenharia de Tecidos Ósseos foca-se em melhorar os métodos para lidar com ossos danificados. Neste sentido, o uso de scaffolds tem sido apresentado como alternativa aos métodos tradicionais. Scaffolds são matrizes porosas de suporte, artificialmente desenhadas, com o propósito de permitir cultivo e proliferação celular. Estas propriedades são influenciadas pela permeabilidade dos scaffolds. Posto isto, este trabalho recorreu a modelos Dinâmicos de Fluídos Computacionais para analisar a permeabilidade e linhas de fluxo de diferentes geometrias TPMS de scaffold. Os resultados destas simulações contribuíram para a compreensão da relação entre a geometria de um scaffold e os seus valores de permeabilidade. Os modelos computacionais foram comparados a um setup experimental de forma a serem validados. Devido ao elevado custo computacional para testar a totalidade do setup, foram desenhados três modelos alternativos menos exigentes. Verificou-se que o modelo periódico foi o mais apropriado, uma vez que podia ser usado para todos os designs mantendo a geometria original. Os resultados da análise numérica apresentaram uma boa correlação com os valores experimentais, validando os modelos computacionais. A análise das linhas de fluxo revelou que as geometrias giroide são o design mais apropriado para a maior parte dos casos de fabricação de scaffolds. O estudo destas linhas demonstrou também que as geometrias Schwarz D eram apenas apropriadas para casos muito específicos e que as geometrias Schwarz P testadas não possuíam as qualidades desejadas para cultivo e proliferação celular., en=Bones are a fundamental component of the human body given their multitude of functions. Thus, Bone Tissue Engineering has been focusing on improving the current methods for dealing with damaged bone. In this sense, the use of scaffolds has been presented as a possible alternative to traditional methods. Scaffolds are artificially designed porous support matrices, meant to allow cell seeding and cell proliferation. These properties are influenced by the permeability of the scaffolds. Taking this into consideration, this work used Computational Fluid Dynamics models to analyse the permeability and fluid streamlines of different TPMS scaffold geometries. The results from the simulations were used to better understand the relation between a scaffold’s geometry and its permeability values. The computational models are also compared to an experimental setup in order to be validated. Because of the high computational cost to test the entire setup, three less demanding alternative models were designed. It was verified that the periodic model was the more appropriate, since it could be used for all of the designs keeping the original geometry. The results from the numerical analysis presented a good correlation with the experimental values, validating the computational models. The analysis of the fluid streamlines revealed how the gyroid geometries are the most appropriate design for most cases of scaffold fabrication. The study of the streamlines also showed that the Schwarz D geometries were only appropriate for very specific scenarios and the tested Schwarz P geometries did not possess the desired qualities for cell seeding and proliferation.}
{pt=Engenharia de Tecidos Ósseos, Scaffolds, Permeabilidade, Superfície Mínima Triplamente Periódica, Dinâmica de Fluídos Computacional, Linhas de Fluxo, en=Bone Tissue Engineering, Scaffolds, Permeability, Triply Periodic Minimal Surfaces, Computational Fluid Dynamics, Streamlines}

Novembro 18, 2019, 9:0

Orientação

ORIENTADOR

Paulo Rui Alves Fernandes

Departamento de Engenharia Mecânica (DEM)

Professor Associado

ORIENTADOR

André Paulo Galvão de Castro

IDMEC - Instituto Superior Técnico

Doutor