Αναπαράσταση περιοδικής δομής ικριωμάτων ανάπτυξης ιστών για κατασκευή σε 3D printers

Abstract

Η μηχανική ιστών είναι η επιστήμη που έχει ως αντικείμενο τη φυσιολογική αναγένησηενός βιολογικού ιστού σε συνθήκες εργαστηρίου (in vitro) και απ' ευθείας σε ασθενείς (in vivo). Η φυσιολογική αναγέννηση γίνεται μέσω καλλιέργειας κυττάρων του ίδιου του ασθενούς μέσα σε ιστομηχανικά ικριώματα. Τα ικριώματα αποτελούν τη μήτρα, εντός της οποίας τα κύτταρα πολλαπλασιάζονται και υποστηρίζονται, ώστε να αναγεννήσουν τον ιστό, ενώ ταυτόχρονα το ικρίωμα αποσυντίθεται σε μη τοξικά προϊόντα. Η επιτυχής αποσύνθεση των ικριωμάτων, κατά τη διάρκεια ανάπτυξης του ιστού, βασίζεται στη χρήση βιοϋλικών, τα οποία φέρουν τις ιδιότητες της βιοσυμβατότητας και της βιοαποδομησιμότητας. Η κατασκευή των ικριωμάτων γίνεται, μεταξύ άλλων, με μεθόδους ταχείας κατασκευής πρωτοτύπων, που δημιουργούν τα αντικείμενα σε στρώσεις. Οι πιο συνήθεις από αυτές είναι η επιιλεκτική σύντηξη με λέιζερ (SLS), η τρισδιάστατη εκτύπωση (3DP) και η στερεολιθογραφία (SLA), οι οποίες φαίνεται να κερδίζουν συνεχώς έδαφος στο πεδίο της ιστομηχανικής. Η κατασκευή των ικριωμάτων προϋποθέτει το σχεδιασμό και τη μοντελοποίηση τους σε κάποιο λογισμικό CAD. Η εσωτερική τους δομή αποτελείται από μοναδιαία κύτταρα. Το κάθε μοναδιαίο κύτταρο έχει την ίδια, συγκεκριμένη γεωμετρία, περικλείει δε κενό χώρο με συγκεκριμένο σχήμα. Τα μοναδιαία κύτταρα είναι αλληλοσυνδεόμενα και διατεταγμένα με συγκεκριμένο τρόπο στο εσωτερικό του ικριώματος. Αυτό, σε συνδυασμό με τη λεπτομερή εξωτερική γεωμετρία των ιστών, κάνει το μοντέλο από αρκετά σύνθετο έως αδύνατο να αναπαρασταθεί τρισδιάστατα στο περιβάλλον CAD. Σε αυτή τη μεταπτυχιακή εργασία καλούμαστε να λύσουμε το παραπάνω πρόβλημα, αναπτύσσοντας κώδικα ο οποίος γεμίζει την κάθε στρώση του μοντέλου ιστού με μοτίβα προερχόμενα από το μοναδιαίο κύτταρο και εξάγει τα σχεδιαστικά δεδομένα κάθε στρώσης σε μορφή κατανοητή από τις μηχανές ταχείας κατασκευής πρωτοτύπων. Η προσέγγιση αυτή αποτελεί έναν περιφραστικό τρόπο σχεδιασμού του ικριώματος, χωρίς όμως να το μοντελοποιεί τρισδιάστατα στην πραγματικότητα.

Tissue Engineering is the scientific field, which has the objective to physically regenerate a biological tissue, either in vitro or in vivo. The physical regeneration results from culturing the patient's cells in tissue scaffolds. A tissue scaffold is the matrix in which the cells are multiplied and suported, so as to regenerate the tissue while the scaffold gradually degrades in non toxic products. The successful scaffold degradation, during the tissue development is based on the biomaterial use, that are biocompatible and biodegradable. Tissue scaffolds are manufactured by various methods, among others Rapid Prototyping (RP) techniques, which are based on Layered Manufacturing (LM) approach. The most common of these methods are Selective Laser Sintering (SLS), Three Dimensional Printing (3DP) and Sterolithography (SLA), which are used widely in the field of tissue engineering. Before manufacturing, tissue scaffolds need to be designed in a CAD software. Their interior structure consist of unit cells. Unit cells have the same geometry with each other and include void space (pore). They are interconnected and placed periodically inside the scaffold, in a predefined way. The large number of unit cells placed inside the scaffold, combined with the detailed exterior geometry of tissues, increases thecomplexity of 3D CAD scaffold model and, as a result it becomes difficult or even impossible for a CAD software to design it. In this thesis we are trying to solve the above stated problem, by developing an algorithm that fills every tissue model layer with patterns, that are generated by an appropriate unit cell and exports data in RP-machine compatible format. Substantially, this approach is an alternative way of tissue scaffold design, without, in fact, modelling the tissue scaffold in a 3D CAD environment.