ES2697701B2 - ANDAMIO THREE-DIMENSIONAL DESIGN METHOD AND / OR IMPLANT WITH INTERCONNECTED MACROPOROSITY FOR OSEOS FABRIC ENGINEERING - Google Patents

ANDAMIO THREE-DIMENSIONAL DESIGN METHOD AND / OR IMPLANT WITH INTERCONNECTED MACROPOROSITY FOR OSEOS FABRIC ENGINEERING Download PDF

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Description

MÉTODO DE DISEÑO TRIDIMENSIONAL DE ANDAMIO Y/O IMPLANTE CON ANDAMIO THREE-DIMENSIONAL DESIGN METHOD AND / OR IMPLANTING WITH

MACROPOROSIDAD INTERCONECTADA PARA INGENIERÍA DE TEJIDOS INTERCONNECTED MACROPOROSITY FOR FABRIC ENGINEERING

ÓSEOSBONES

DESCRIPCIÓNDESCRIPTION

Objeto de la invención.Object of the invention.

La presente invención describe el método de diseño tridimensional asistido por ordenador de un andamio y/o implante para ingeniería ósea de gran superficie específica con macroporosidad interconectada y definida a partir de la creación de múltiples cilindros de espesor variable (i.e. Trabecular Thickness; Tb.Th) cuya dirección es definida a partir de dos puntos aleatorios seleccionados en la superficie interna de la forma volumétrica del defecto óseo a sustituir.The present invention describes the method of computer-assisted three-dimensional design of a scaffold and / or implant for large-area bone engineering with interconnected and defined macroporosity from the creation of multiple cylinders of variable thickness (ie Trabecular Thickness; Tb.Th ) whose direction is defined from two random points selected on the internal surface of the volumetric shape of the bone defect to be replaced.

La finalidad preferente del andamio y/o implante es su aplicación como bioimplante para la estabilización y/o regeneración ósea a partir de su fabricación por impresión tridimensional (3D) con materiales biocompatibles previa reconstrucción tridimensional del defecto.The preferred purpose of scaffolding and / or implant is its application as a bioimplant for bone stabilization and / or regeneration from its manufacture by three-dimensional (3D) printing with biocompatible materials prior to three-dimensional reconstruction of the defect.

Campo de aplicación de la invención.Field of application of the invention.

Esta invención es aplicable en el campo dedicado a la fabricación de andamios y/o implantes biocompatibles y/o biodegradables y/o bioactivos para la estabilización y regeneración del tejido óseo. De forma más concreta, la invención se refiere al diseño asistido por ordenador (i.e. Computer Assisted Design; CAD) de un andamio y/o implante macroporoso para su impresión con técnicas de prototipado rápido en aplicaciones que requieren elevada superficie específica y la combinación variable de porosidad con el objetivo de mejorar la penetración, adhesión y crecimiento celular, el flujo de los nutrientes y la vascularización.This invention is applicable in the field dedicated to the manufacture of biocompatible and / or biodegradable and / or bioactive scaffolds and implants for the stabilization and regeneration of bone tissue. More specifically, the invention relates to the computer-assisted design (ie Computer Assisted Design; CAD) of a scaffolding and / or macroporous implant for printing with rapid prototyping techniques in applications that require high specific surface area and variable combination of porosity with the aim of improving cell penetration, adhesion and growth, nutrient flow and vascularization.

Estado de la técnica.State of the art

El hueso es el segundo tejido más trasplantado en el mundo. El envejecimiento de la población, los tumores, los defectos congénitos o degenerativos y la osteoporosis son las primeras causas de las fracturas y defectos óseos. En las últimas décadas los autoinjertos (autotrasplante) y los aloinjertos (donante) se han utilizado en la reparación ósea. Sin embargo, el dolor, la infección, el rechazo inmunológico y otras patologías asociadas provocan un interés cada vez mayor en el desarrollo de hueso artificial con microestructura mimética al hueso natural. El "andamio” o estructura artificial empleada como sustituto de los autoinjertos y los aloinjertos debe ser capaz de soportar el crecimiento del tejido vivo y actuar como andamio o soporte para su regeneración tridimensional (3D). Por ello es necesario el diseño y la fabricación de andamios óseos porosos que se comporten como el hueso natural, y sean fáciles de producir, esterilizar y almacenar para su uso posterior como sustitutos del tejido dañado. En su búsqueda debe seleccionarse no sólo el biomaterial más adecuado sino también la arquitectura o estructura del andamio que favorezca los requerimientos de soporte y transporte de masa. El interés es notable como indica el aumento exponencial del número de publicaciones dedicadas al diseño y fabricación de andamios óseos en Ingeniería de Tejidos en la última década. Más de 5.000 publicaciones y 100.000 citas en este área en los últimos 20 años justifica la importancia de la cuestión (web de la base de datos: Science, 2012, Thomson Reuters). Bone is the second most transplanted tissue in the world. Population aging, tumors, congenital or degenerative defects and osteoporosis are the first causes of fractures and bone defects. In the last decades Autografts (autotransplantation) and allografts (donor) have been used in bone repair. However, pain, infection, immune rejection and other associated pathologies cause an increasing interest in the development of artificial bone with mimetic microstructure to natural bone. The "scaffolding" or artificial structure used as a substitute for autografts and allografts must be able to support the growth of living tissue and act as scaffolding or support for its three-dimensional (3D) regeneration. Therefore, it is necessary to design and manufacture Porous bone scaffolds that behave like natural bone, and are easy to produce, sterilize and store for later use as substitutes for damaged tissue.In your search you should select not only the most suitable biomaterial but also the architecture or structure of the scaffold that favor the requirements of support and mass transport The interest is remarkable as indicated by the exponential increase in the number of publications dedicated to the design and manufacture of bone scaffolding in Tissue Engineering in the last decade More than 5,000 publications and 100,000 citations in this area In the last 20 years, it justifies the importance of the issue (database website: Sc ience, 2012, Thomson Reuters).

Los recientes avances en el diseño y fabricación de andamios en Ingeniería de Tejidos óseos (i.e. Bone Tissue Engineering; BTE) han tratado de mejorar las propiedades mecánicas y las propiedades de flujo a su través con el fin de mimetizar completamente el hueso y copiar sus propiedades. Alta resistencia específica, alta permeabilidad y una disposición porosa irregular con elevada relación de "superficie ósea” a "volumen total” (i.e. Bone Surface to Total Volume ratio; BS/TV) son las propiedades deseadas en el diseño de la próxima generación de andamios en BTE. El fin último es desarrollar andamios artificiales bioactivos y biomiméticos que no sean reconocidos como cuerpo extraño, hagan su función de sustentación inicial y sean resorbidos de forma controlada facilitando la actividad osteogénica.Recent advances in the design and manufacture of scaffolds in Bone Tissue Engineering (ie Bone Tissue Engineering ; BTE) have tried to improve the mechanical properties and flow properties through it in order to completely mimic the bone and copy its properties . High specific resistance, high permeability and an irregular porous arrangement with a high ratio of "bone surface" to "total volume" (ie Bone Surface to Total Volume ratio; BS / TV) are the desired properties in the design of the next generation of scaffolding in BTE. The ultimate goal is to develop bioactive and biomimetic artificial scaffolds that are not recognized as a foreign body, perform their initial lift function and are resorbed in a controlled manner facilitating osteogenic activity.

Las principales limitaciones en los diseños de los andamios actuales son la baja resistencia mecánica y la falta de suficiente vascularización. Por esta razón, los criterios generales para diseñar andamios deben incluir una geometría interna similar a la microestructura del hueso trabecular esponjoso, las propiedades del transporte de masa, las propiedades mecánicas y el propio biomaterial. En el diseño tridimensional de la estructura se debe tener en cuenta el tamaño y la forma de los poros, las interconexiones, la separación trabecular (Tb.Sp) y el grosor trabecular (Tb.Th), no sólo por las propiedades mecánicas, sino también para facilitar la penetración de las células en el andamio, su adhesión y la facilidad al flujo de nutrientes a su través, como también la neovascularización. Las propiedades descritas para los andamios se deben mantener durante el proceso de la resorción o biodegradabilidad del mismo hasta su completa sustitución por la nueva formación del tejido óseo. Algunas de las propiedades exigibles a los andamios porosos son:The main limitations in the designs of the current scaffolds are the low mechanical resistance and the lack of sufficient vascularization. For this reason, the general criteria for designing scaffolds must include an internal geometry similar to the microstructure of spongy trabecular bone, mass transport properties, mechanical properties and the biomaterial itself. In the three-dimensional design of the structure, the size and shape of the pores, interconnections, trabecular separation (Tb.Sp) and trabecular thickness must be taken into account (Tb.Th), not only because of the mechanical properties, but also to facilitate the penetration of the cells in the scaffold, their adhesion and the ease to the flow of nutrients through it, as well as neovascularization. The properties described for scaffolds must be maintained during the process of resorption or biodegradability of the same until its complete replacement by the new formation of bone tissue. Some of the properties required of porous scaffolds are:

Biocompatibilidad: Capacidad para realizar su función en el tejido del huésped sin provocar cualquier respuesta inmune. Biocompatibility : Ability to perform its function in host tissue without causing any immune response.

Biodegradabilidad: La velocidad de degradación del andamio debe coincidir con el crecimiento del nuevo tejido óseo durante su reemplazo. Biodegradability : The rate of degradation of the scaffold must coincide with the growth of the new bone tissue during its replacement.

Propiedades mecánicas: Resistencia mecánica suficiente para proporcionar un apoyo temporal y resistir las fuerzas de carga in vivo. Módulo elástico (300-500 MPa) y resistencia (5-10 MPa) semejantes al hueso trabecular. Mechanical properties : Mechanical strength sufficient to provide temporary support and resist load forces in vivo. Elastic modulus (300-500 MPa) and resistance (5-10 MPa) similar to trabecular bone.

Microarquitectura: Estructuras de porosidad variable e interconectada con el objeto de distribuir uniformemente las tensiones y facilitar el flujo de células y nutrientes. Osteoinductividad: Promover la fijación de células específicas y formadoras del tejido óseo. Microarchitecture : Variable and interconnected porosity structures in order to distribute tensions evenly and facilitate the flow of cells and nutrients. Osteoinductivity : Promote the fixation of specific and forming cells of bone tissue.

Porosidad: Volumen y tamaño de los poros para permitir el crecimiento de tejido, la neovascularización, el transporte de masa y la osteogénesis. Es deseable una porosidad mayor del 75%. La macroporosidad de entre 200 y 400 micras para facilitar la unión de células sobre el tejido. La porosidad abierta e interconectada facilita la colonización del andamio por parte de las células, la difusión de los nutrientes esenciales y oxígeno para la supervivencia celular y productos de desecho. Porosity : Volume and size of the pores to allow tissue growth, neovascularization, mass transport and osteogenesis. A porosity greater than 75% is desirable. The macroporosity of between 200 and 400 microns to facilitate the union of cells on the tissue. Open and interconnected porosity facilitates the colonization of scaffolding by cells, the diffusion of essential nutrients and oxygen for cell survival and waste products.

Propiedades superficiales: Apropiadas propiedades topográficas y químicas para favorecer la adhesión, proliferación y diferenciación celular. Surface properties: Appropriate topographic and chemical properties to promote cell adhesion, proliferation and differentiation.

Todas las propiedades descritas dependen directa o indirectamente del diseño tridimensional del andamio poroso en relación con la porosidad, superficie especifica del andamio, forma y tamaño de los poros, trabéculas y uniones trabeculares, entre otras.All the properties described depend directly or indirectly on the three-dimensional design of the porous scaffold in relation to the porosity, specific surface area of the scaffold, shape and size of the pores, trabeculae and trabecular junctions, among others.

Las tecnologías utilizadas para fabricar este tipo de andamios son múltiples y variadas. La tecnología Solid Free Form (SFF), también conocida con el nombre de Prototipado Rápido (i.e. Rapid Prototyping; RP), es un conjunto de nuevas técnicas de fabricación aditiva que permiten obtener estructuras porosas 3D irregulares e interconectadas a partir de modelos CAD tridimensionales. Con estas técnicas, los andamios pueden ser construidos a partir de diferentes técnicas de fabricación aditiva con material biocompatible y bioresorbible. Los andamios se imprimen capa a capa a partir de la exportación de ficheros STL (STereoLitography files). La impresión puede realizarse por distintos procedimientos: térmicos, químicos, mecánicos u ópticos. Algunos de ellos son: Melt Extrusión o modelado por deposición fundida (i.e. Fused Deposition Modelling; FDM), estereolitografía (SLA) y sinterización selectiva por láser (i.e. Selective Laser Sintering; SLS). En general, las técnicas que utilizan procedimientos ópticos presentan resoluciones más altas. La estereolitografía es una de las tecnologías más antiguas y más precisas de las técnicas de fabricación aditiva (i.e. Additive Manufacturing; AM).The technologies used to manufacture this type of scaffolding are multiple and varied. Solid Free Form (SFF) technology, also known as Rapid Prototyping (ie Rapid Prototyping; RP), is a set of new techniques of additive manufacturing that allow to obtain irregular and interconnected 3D porous structures from three-dimensional CAD models. With these techniques, scaffolding can be constructed from different additive manufacturing techniques with biocompatible and bioresorbable material. Scaffolds are printed layer by layer from the export of STL files ( STereoLitography files). Printing can be done by different procedures: thermal, chemical, mechanical or optical. Some of them are: Melt Extrusion or molten deposition modeling (ie Fused Deposition Modeling; FDM), stereolithography (SLA) and selective laser sintering (ie Selective Laser Sintering; SLS). In general, techniques that use optical procedures have higher resolutions. Stereolithography is one of the oldest and most accurate technologies of additive manufacturing techniques (ie Additive Manufacturing; AM).

Actualmente, los programas de Diseño Asistido por Ordenador (CAD) se han utilizado para modelar geometrías simples de andamios 3D a partir de la combinación de sólidos o primitivas estándar (cilindros, esferas, cubos, etc.) con operaciones booleanas de unión, resta e intersección. Adicionalmente se han utilizado operaciones de copia múltiple como matrices en 3D en la definición tridimensional de andamios porosos para su impresión 3D.Currently, Computer Aided Design (CAD) programs have been used to model simple 3D scaffolding geometries from the combination of standard solids or primitives (cylinders, spheres, cubes, etc.) with Boolean joining, subtraction and intersection. Additionally, multiple copy operations have been used as 3D matrices in the three-dimensional definition of porous scaffolds for 3D printing.

Otras estructuras o patrones tridimensionales impresos en 3D y utilizados como andamios en la sustitución de defectos óseos son definidos con ecuaciones triples periódicas a partir de funciones trigonométricas implícitas (Implicit Surface Modelling, ISM). De esta forma se generan patrones porosos como: Schwar’s Diamond, Schoen’s Gyroid y otros, caracterizados por tener un efecto positivo en la migración celular y el crecimiento de tejido.Other three-dimensional structures or patterns printed in 3D and used as scaffolds in the replacement of bone defects are defined with periodic triple equations from implicit trigonometric functions ( Implicit Surface Modeling, ISM). In this way, porous patterns are generated such as: Schwar's Diamond, Schoen's Gyroid and others, characterized by having a positive effect on cell migration and tissue growth.

La tecnología Space Filling Curves (SFC) es una reciente metodología de diseño utilizada en la construcción de andamios porosos con estructura repetitiva a partir de la micro extrusión de un filamento de polímero de pequeño diámetro. Estos métodos permiten fabricar un patrón repetitivo con distinta porosidad en diferentes regiones. Space Filling Curves (SFC) technology is a recent design methodology used in the construction of porous scaffolds with repetitive structure from the micro extrusion of a small diameter polymer filament. These methods allow manufacturing a repetitive pattern with different porosity in different regions.

Finalmente, la combinación de las nuevas herramientas CAD, la Tomografía Computarizada (TC) y la micro-Tomografía (pCT) pueden crear andamios biomiméticos con una estructura irregular idéntica al tejido trabecular óseo. Sin embargo, tal microestructura requiere de un equipo caro y, en la mayoría de los casos, no es necesaria una reproducción tan detallada.Finally, the combination of the new CAD tools, Computed Tomography (CT) and micro-Tomography (pCT) can create biomimetic scaffolds with an irregular structure identical to trabecular bone tissue. However, such a microstructure requires expensive equipment and, in most of the cases, such detailed reproduction is not necessary.

A nivel de patentes, la US 2012/0321878 A1, describe un modelo de andamio con estructura porosa diseñado tridimensionalmente siguiendo un procedimiento distinto a los anteriormente descritos. El andamio es diseñado a partir de la creación de regiones de Voronoi en forma de poliedros donde las trabéculas, que pueden presentar distinta sección y tamaño, están generadas a partir de operaciones tridimensionales de barrido con sección constante a lo largo de las aristas que definen los poliedros de Voronoi. La forma del poro se obtiene como el espacio no ocupado por las trabéculas generadas en la operación. Este tipo de diseño estructural no termina de mimetizar la arquitectura anisotrópica del hueso trabecular natural por la forma en la que se presentan las trabéculas, las uniones trabeculares, los poros y la conectividad de los mismos.At the patent level, US 2012/0321878 A1, describes a scaffold model with porous structure designed three-dimensionally following a different procedure to those described above. The scaffolding is designed from the creation of Voronoi regions in the form of polyhedra where the trabeculae, which can have different section and size, are generated from three-dimensional scanning operations with constant section along the edges that define the Voronoi polyhedra. The pore shape is obtained as the space not occupied by the trabeculae generated in the operation. This type of structural design does not finish mimicking the anisotropic architecture of the natural trabecular bone because of the way in which the trabeculae, trabecular junctions, pores and their connectivity are presented.

La invención propuesta describe un nuevo método de diseño asistido por ordenador de andamios porosos y/o implantes para mimetizar la estructura trabecular del hueso natural con el mayor detalle posible. Los andamios macroporosos de la presente invención se diseñan para mantener la forma externa del defecto óseo, adaptado a las necesidades específicas del paciente, con una macroestructura anisotrópica donde las trabéculas presentan una sección variable con conectividades redondeadas y suavizadas. La invención describe la metodología necesaria para obtener modelos con porosidad variable e interconectada a partir de la modificación paramétrica del espesor (Tb.Th) y la separación trabecular (Tb.Sp) con el fin de diseñar modelos porosos con un núcleo menos denso y un exterior más compacto. Los modelos tridimensionales de andamios diseñados se caracterizan por poseer elevada relación entre su superficie y el volumen total (BS/TV) y pueden ser exportados para su fabricación mediante técnicas aditivas (AM) en diversos biomateriales.The proposed invention describes a new computer-aided design method of porous scaffolds and / or implants to mimic the trabecular structure of natural bone in as much detail as possible. The macroporous scaffolds of the present invention are designed to maintain the external shape of the bone defect, adapted to the specific needs of the patient, with an anisotropic macrostructure where the trabeculae have a variable section with rounded and softened connectivities. The invention describes the methodology necessary to obtain models with variable and interconnected porosity from the parametric thickness modification (Tb.Th) and trabecular separation (Tb.Sp) in order to design porous models with a less dense core and a more compact exterior. Three-dimensional models of designed scaffolding are characterized by having a high relationship between their surface and total volume (BS / TV) and can be exported for manufacturing using additive techniques (AM) in various biomaterials.

Descripción de la invención.Description of the invention

La presente invención describe el método de diseño asistido por ordenador para obtener el modelo tridimensional (3D) de un andamio y/o implante que puede ser fabricado en cualquier material con las técnicas actuales de prototipado rápido. El andamio y/o implante, diseñado con porosidad variable e interconectada donde las trabéculas y la separación trabecular varían en función de sus necesidades y las conectividades se presentan redondeadas. El andamio y/o implante definido adopta la forma del defecto óseo a reemplazar, pero no se limita sólo a este tipo de adaptación, hecho evidente para cualquier experto en la materia.The present invention describes the computer-aided design method to obtain the three-dimensional (3D) model of a scaffold and / or implant that can be manufactured in any material with current rapid prototyping techniques. The scaffolding and / or implant, designed with variable and interconnected porosity where the trabeculae and trabecular separation vary according to their needs and Connectivities are rounded. The scaffolding and / or defined implant takes the form of the bone defect to be replaced, but it is not limited only to this type of adaptation, made evident to any person skilled in the art.

De forma más detallada, el método de la presente invención comprende las siguientes etapas:In more detail, the method of the present invention comprises the following steps:

1. Obtención de puntos aleatorios sobre la superficie del defecto óseo a rellenar.1. Obtaining random points on the surface of the bone defect to be filled.

La definición de un volumen mediante técnicas de diseño asistido por ordenador (CAD) o la reconstrucción del defecto a reemplazar a partir de imágenes médicas de micro-tomografía (pCT), resonancia magnética (RM) o similares, permite situar de forma aleatoria, un número variable de puntos sobre la misma (ver Figura 1). La división de los puntos en dos grupos y la creación de líneas de forma aleatoria entre los puntos de cada uno de los grupos define un entramado de líneas cruzadas.The definition of a volume by means of computer-aided design (CAD) techniques or the reconstruction of the defect to be replaced from medical micro-tomography (pCT), magnetic resonance imaging (MRI) or similar images, allows to randomly position a variable number of points on it (see Figure 1). The division of the points into two groups and the creation of random lines between the points of each of the groups defines a network of crossed lines.

2. Definición del ancho trabecular.2. Definition of trabecular width.

La definición de un cilindro sólido de radio variable para cada una de las líneas creadas permite definir el andamio macroporoso de elevada superficie y macroporosidad interconectada. Para facilitar la adherencia celular y mejorar la permeabilidad la intersección de los cilindros es redondeada con el fin de crear una superficie de transición entre los cilindros.The definition of a solid cylinder of variable radius for each of the lines created allows defining the macroporous scaffold of high surface area and interconnected macroporosity. To facilitate cell adhesion and improve permeability the intersection of the cylinders is rounded in order to create a transition surface between the cylinders.

La porosidad depende del número de líneas definidas en la etapa 1 y del radio del cilindro establecido en la etapa 2 y, en menor grado, del radio de unión en la intersección de los cilindros. De esta forma, los andamios creados con mayor número de puntos y definidos con valores pequeños de radio presentan mayor relación BS/TV, aspecto que facilitaría la adhesión celular.The porosity depends on the number of lines defined in stage 1 and the radius of the cylinder established in stage 2 and, to a lesser extent, on the junction radius at the intersection of the cylinders. In this way, scaffolds created with a greater number of points and defined with small radio values have a higher BS / TV ratio, an aspect that would facilitate cell adhesion.

El procedimiento de modelado tridimensional de andamios y/o implantes descritos permite rellenar con el patrón macroporoso cualquier tipo de geometría o volumen 3D con diferente porcentaje de porosidad. The three-dimensional modeling procedure of scaffolds and / or implants described allows filling any type of 3D geometry or volume with different percentage of porosity with the macroporous pattern.

En el ejemplo de la Figura 1 se ha tomado un modelo volumétrico de un cilindro sobre el que se han definido puntos aleatorios y líneas de unión entre ellos para crear las trabéculas de la Figura 2.In the example of Figure 1 a volumetric model of a cylinder has been taken on which random points and connecting lines between them have been defined to create the trabeculae of Figure 2.

3. Diseño de andamios con porosidad variable.3. Scaffolding design with variable porosity.

La densidad y la forma de la estructura trabecular ósea depende de la tensión a la que está sometido el tejido óseo (Ley de Wolf, 1869). Cuando las cargas son iguales en las tres direcciones principales, el tejido óseo tiende a presentar una microestructura equiaxial e isotrópica. Cuando la carga principal se encuentra definida en una de las direcciones, la estructura ósea se adapta con el fin de minimizar las tensiones en esa dirección. La densidad relativa del hueso y la porosidad dependen de la magnitud de la distribución de cargas. La metodología de diseño propuesta permite definir una estructura con porosidad variable (1-BV/TV) en diferentes regiones volumétricas, estando sus trabéculas perfectamente conectadas entre las distintas regiones. En la Figura 3 se ilustra un ejemplo donde se presentan dos regiones con distinta porosidad por estar definidas por distinto número de líneas formadoras de trabéculas. Para definir los modelos con porosidad variable es necesario crear diferentes volúmenes de interés (VOI) con distinto número de puntos sobre la superficie y seguir el procedimiento descrito en el apartado anterior.The density and shape of the trabecular bone structure depends on the tension to which the bone tissue is subjected (Wolf's Law, 1869). When the charges are equal in the three main directions, the bone tissue tends to have an equiaxial and isotropic microstructure. When the main load is defined in one of the directions, the bone structure is adapted in order to minimize tensions in that direction. The relative density of the bone and the porosity depend on the magnitude of the load distribution. The proposed design methodology allows defining a structure with variable porosity (1-BV / TV) in different volumetric regions, with its trabeculae being perfectly connected between the different regions. An example is shown in Figure 3 where two regions with different porosity are presented because they are defined by different number of trabeculae forming lines. To define models with variable porosity it is necessary to create different volumes of interest (VOI) with different number of points on the surface and follow the procedure described in the previous section.

Descripción de las figuras.Description of the figures.

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de facilitar la comprensión de las características de la invención, se acompaña a la presente memoria descriptiva un juego de dibujos en los que, con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:To complement the description that is being made and in order to facilitate the understanding of the characteristics of the invention, a set of drawings is attached to the present specification in which, for illustrative and non-limiting purposes, the following has been represented:

- La Figura 1.A muestra un volumen cilíndrico sobre cuya superficie interna (1) se han localizado un número determinado de puntos (2) de forma aleatoria. Los puntos, también de forma aleatoria, son separados en dos grupos. En la Figura 1.B. se representan las uniones aleatorias (3) formadas a partir de la unión de dichos puntos.- Figure 1.A shows a cylindrical volume on whose internal surface (1) a certain number of points (2) have been located randomly. The points, also randomly, are separated into two groups. In Figure 1.B. random junctions (3) formed from the union of said points are represented.

- La Figura 2 muestra un andamio macroporoso después de formar los cilindros (4) sobre cada una de las líneas creadas anteriormente. Se observa el radio de unión en las intersecciones de los cilindros y la macroporosidad interconectada resultante (5). - Figure 2 shows a macroporous scaffolding after forming the cylinders (4) on each of the lines created above. The binding radius is observed at the intersections of the cylinders and the resulting interconnected macroporosity (5).

- La Figura 3 es un ejemplo similar al de la Figura 1, pero que permitiría la construcción de un modelo de andamio con porosidad variable definida en dos o más volúmenes de interés (VOI) distintos, contiguos y continuos.- Figure 3 is an example similar to that of Figure 1, but that would allow the construction of a scaffolding model with defined porosity defined in two or more different, contiguous and continuous volumes of interest (VOI).

- La Figura 4 muestra distintos andamios macroporosos generados a partir de un número de puntos distintos en superficie (25, 50, 75, 100 y 125) sobre un volumen cilíndrico.- Figure 4 shows different macroporous scaffolds generated from a number of different surface points (25, 50, 75, 100 and 125) on a cylindrical volume.

- La Figura 5 muestra la variación del radio de unión entre las trabéculas generadas.- Figure 5 shows the variation of the radius of union between the generated trabeculae.

- La Figura 6 muestra a los modelos macroporosos encapsulados en un tubo con objeto de mejorar sus propiedades mecánicas.- Figure 6 shows the macroporous models encapsulated in a tube in order to improve their mechanical properties.

- La Figura 7 muestra modelos de andamios realizados sobre un volumen cilíndrico de diámetro 10 milímetros y altura 8 milímetros con 200, 400, 600, 800 y 1000 líneas de generación de radio 0,2 milímetros. En la Tabla, que se acompaña, se muestran los valores de BS/BV, BS/TV, BV/TV y de porosidad (1-BV/TV) de cada uno de ellos. Los modelos presentan, a partir de 800 líneas, valores de BS/BV y BS/TV superiores a los mostrados por otros andamios empleados en ingeniería de tejidos óseos: Schwarts Primitive, Schwarts W, Schoen’s Gyroid y otros.- Figure 7 shows scaffolding models made on a cylindrical volume of 10 mm diameter and 8 mm height with 200, 400, 600, 800 and 1000 0.2 mm radius generation lines. The accompanying Table shows the values of BS / BV, BS / TV, BV / TV and porosity (1-BV / TV) of each of them. The models present, from 800 lines, BS / BV and BS / TV values higher than those shown by other scaffolds used in bone tissue engineering: Schwarts Primitive, Schwarts W, Schoen's Gyroid and others.

- La Figura 8 muestra andamios generados a partir de distintos volúmenes geométricos: cono (Fig. 8.A), pirámide truncada (Fig. 8.B) y esfera (Fig. 8.C). El modelo poroso se adapta a cualquier geometría externa que deba rellenarse siendo útil con modelos biológicos obtenidos a partir de la reconstrucción de imágenes médicas.- Figure 8 shows scaffolds generated from different geometric volumes: cone (Fig. 8.A), truncated pyramid (Fig. 8.B) and sphere (Fig. 8.C). The porous model adapts to any external geometry that must be filled in, being useful with biological models obtained from the reconstruction of medical images.

Realización preferida de la invención.Preferred embodiment of the invention.

Como se puede observar en la Figura 1, el andamio macroporoso y/o implante obtenido mediante la metodología descrita se define a partir de un conjunto de puntos (2), localizados sobre la superficie interior del volumen a rellenar (1), que son divididos de forma aleatoria en dos grupos y conectados, también de forma aleatoria, para crear líneas de unión entre ellos (3). La creación de cilindros (4) en cada una de las líneas y el suavizado del radio de unión en las intersecciones define la estructura final del andamio macroporoso y/o implante.As can be seen in Figure 1, the macroporous scaffolding and / or implant obtained by the described methodology is defined from a set of points (2), located on the inner surface of the volume to be filled (1), which are divided randomly in two groups and connected, also randomly, to create lines of union between them (3). The creation of cylinders (4) in each of the lines and the smoothing of the junction radius at the intersections defines the final structure of the macroporous scaffolding and / or implant.

Los huecos interiores (5) que presenta la estructura macroporosa obtenida a partir de la metodología descrita están interconectados para facilitar la penetración de las células en el andamio y/o implante, su adhesión y el flujo de nutrientes a su través. El número de trabéculas y su espesor (radio de los cilindros) pueden ser regulados para conseguir distinta fracción de volumen (BV/TV) o porosidad para el volumen de interés (i.e. Region-üf-interest; ROI) seleccionado.The interior voids (5) presented by the macroporous structure obtained from the described methodology are interconnected to facilitate the penetration of the cells in the scaffolding and / or implant, their adhesion and the flow of nutrients through it. The number of trabeculae and their thickness (radius of the cylinders) can be regulated to achieve different volume fraction (BV / TV) or porosity for the volume of interest (ie Region-üf-interest; ROI) selected.

Para crear un andamio macroporoso y/o implante con porosidad variable en diferentes regiones del mismo, tal y como se ilustra en la Figura 3, la metodología descrita permite crear distinta densidad de puntos sobre la superficie interior límite del volumen a rellenar y/o sobre cualquier superficie interna adicional definida por interés del diseño. De esta forma se generan modelos CAD macroporosos con porosidad variable entre distintas regiones que pueden ser moduladas en cualquier dirección de interés del espacio.To create a macroporous scaffold and / or implant with variable porosity in different regions of the same, as illustrated in Figure 3, the described methodology allows to create different density of points on the inner surface limit of the volume to be filled and / or on any additional internal surface defined by design interest. In this way macroporous CAD models with variable porosity are generated between different regions that can be modulated in any direction of space interest.

La metodología descrita permite crear un andamio y/o implante adaptado al defecto óseo a rellenar a partir de la definición de los puntos sobre la superficie del volumen diseñado por ordenador o reconstruido a partir de imágenes médicas como la pCT u otras tecnologías. The described methodology allows to create a scaffold and / or implant adapted to the bone defect to be filled from the definition of the points on the surface of the volume designed by computer or reconstructed from medical images such as pCT or other technologies.

Claims (6)

REIVINDICACIONES 1. Método de diseño tridimensional de andamio macroporoso y/o implante caracterizado porque la estructura interna se genera a partir de cilindros de radio variable siguiendo la dirección definida por líneas establecidas entre dos puntos aleatorios previamente creados de forma aleatoria sobre la superficie interna límite y/o de forma adicional sobre otras superficies internas definidas por interés del diseño del defecto a rellenar previamente reconstruido en tres dimensiones (3D) a partir de imágenes médicas o a partir de su diseño 3D.1. Three-dimensional design method of macroporous scaffolding and / or implant characterized in that the internal structure is generated from variable radius cylinders following the direction defined by lines established between two random points previously created randomly on the internal boundary surface and / or additionally on other internal surfaces defined by interest of the defect design to be filled in previously reconstructed in three dimensions (3D) from medical images or from its 3D design. 2. Método de diseño tridimensional de andamio macroporoso y/o implante según reivindicación 1, caracterizado porque la mayor o menor porosidad interconectada se genera a partir de la definición de mayor o menor número puntos aleatorios creados sobre la superficie interna límite de la forma a rellenar y/o sobre otras superficies internas definidas por interés del diseño y/o del radio del cilindro generado, quedando así definidas las relaciones histomorfométricas básicas (BS/BV, BS/TV, BV/TV, etc.) y, en consecuencia, todas las propiedades de interés (mecánicas, fluídicas y biológicas).2. Three-dimensional design method of macroporous scaffolding and / or implant according to claim 1, characterized in that the greater or lesser interconnected porosity is generated from the definition of more or less random numbers created on the inner boundary surface of the form to be filled and / or on other internal surfaces defined by interest of the design and / or the radius of the generated cylinder, thus defining the basic histomorphometric relationships (BS / BV, BS / TV, BV / TV, etc.) and, consequently, all the properties of interest (mechanical, fluidic and biological). 3. Método de diseño tridimensional de andamio macroporoso y/o implante basado en las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque las líneas que definen la intersección entre los cilindros son redondeadas con distinto tipo de radio con el objeto de suavizar las transiciones entre las superficies y mejorar la adhesión celular al incrementar la relación histomorfométrica BS/TV.3. Three-dimensional design method of macroporous scaffolding and / or implant based on claims 1 and 2, characterized in that the lines defining the intersection between the cylinders are rounded with a different type of radius in order to smooth the transitions between the surfaces and improve cell adhesion by increasing the histomorphometric ratio BS / TV. 4. Método de diseño tridimensional de andamio macroporoso y/o implante basado en las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el andamio y/o implante es confinado en un volumen geométrico de cualquier forma con el volumen del defecto óseo a rellenar obtenido por reconstrucción de imágenes médicas u otros procedimientos.4. Three-dimensional design method of macroporous scaffolding and / or implant based on the preceding claims, characterized in that the scaffolding and / or implant is confined in a geometric volume of any form with the volume of the bone defect to be filled obtained by reconstruction of medical images or other procedures. 5. Método de diseño tridimensional de andamio macroporoso y/o implante basado en las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el andamio y/o implante es confinado en un volumen geométrico de cualquier forma, independientemente de la existencia o no de ningún defecto óseo a rellenar, que permita, por tanto, definir todo tipo de implantes y/o estructuras de soporte como clavos, tornillos, placas, rellenos, etc.5. Three-dimensional design method of macroporous scaffolding and / or implant based on the preceding claims, characterized in that the scaffolding and / or implant is confined in a geometric volume in any way, regardless of the existence or not of any bone defect to be filled, that allows, therefore, to define all types of implants and / or support structures such as nails, screws, plates, fillings, etc. 6. Método de diseño tridimensional de andamio macroporoso y/o implante basado en las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el andamio y/o implante es fabricado con técnicas de impresión 3D en materiales biocompatibles poliméricos, cerámicos y/o metálicos. 6. Three-dimensional design method of macroporous scaffolding and / or implant based on the preceding claims, characterized in that the scaffolding and / or implant is manufactured with 3D printing techniques in biocompatible polymeric, ceramic and / or metallic materials.
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