Numerical Analysis of Bone Cell Growth Potential in Beam-Based Lattice Structures

Porous structures have been shown to possess considerable potential for promoting bone regeneration. This capacity is attributable to the ability of such structures to emulate the mechanical and biological environment of natural bone. These cells have been shown to promote cell adhesion, proliferation, and nutrient transport, which renders them particularly well-suited for applications in tissue engineering. The present study evaluates four beam-based lattice structures—Cubic Body-Face Centered Cubic (CBFCC), Cubic Face-Centered Cubic (CFCC), Kelvin, and Octet Truss—in terms of their geometric and flow-related properties to assess their suitability for bone regeneration. Scaffolds with porosities of 50%, 60%, 70%, and 80% were modeled to investigate the effects of geometry. To this end, numerical analyses were conducted under laminar flow conditions to evaluate permeability, wall shear stress (WSS), and flow velocity. The findings of the study suggest a correlation between increasing porosity and the following outcomes: increased flow inlet areas, reduced pressure drops, and enhanced permeability. The observed scaffold permeability values were found to fall within the range reported for human trabecular bone, thereby supporting effective nutrient transport and metabolic waste removal. WSS analysis revealed that 30.28% to 74.64% of the scaffold surfaces were within the optimal range of 10–30 mPa, which is conducive to bone cell development. The flow velocities remained within physiological laminar limits, thereby ensuring appropriate mechanical stimulation and uniform flow distribution throughout the scaffolds. In summary, the beam-based lattice architectures exhibited a balanced relationship between structural characteristics and flow performance. This study provides a comprehensive evaluation of their potential for bone regeneration and establishes a foundation for future experimental validation.

Keywords: Beam-based lattice, Permeability, WSS, Bone regeneration

Kiriþ Esaslý Kafes Yapýlarýnda Kemik Hücre Geliþim Potansiyelinin Sayýsal Analizi

Gözenekli yapýlar, kemik rejenerasyonunu teþvik etme konusunda kayda deðer bir potansiyele sahip olduklarý gösterilmiþtir. Bu kapasite, söz konusu yapýlarýn doðal kemiðin mekanik ve biyolojik ortamýný taklit edebilme yeteneðinden kaynaklanmaktadýr. Bu iskelelerin hücre adezyonunu, proliferasyonunu ve besin taþýnýmýný desteklediði gösterilmiþ olup, bu durum onlarý doku mühendisliði uygulamalarý için özellikle uygun hale getirmektedir. Bu çalýþmada, kemik rejenerasyonu açýsýndan uygunluklarýný deðerlendirmek amacýyla dört farklý kiriþ esaslý kafes yapýsý— Kübik Gövde-Yüzey Merkezli Kübik (CBFCC), Kübik Yüzey Merkezli Kübik (CFCC), Kelvin ve Octet Truss—geometrik ve akýþa baðlý özellikler açýsýndan incelenmiþtir. Geometrinin etkilerini araþtýrmak için %50, %60, %70 ve %80 gözenekliliðe sahip iskeleler modellenmiþtir. Bu amaçla, geçirgenlik, duvar kayma gerilimi (WSS) ve akýþ hýzýný deðerlendirmek için laminer akýþ koþullarý altýnda sayýsal analizler yapýlmýþtýr. Çalýþmanýn bulgularý, artan gözeneklilik ile aþaðýdaki sonuçlar arasýnda bir korelasyon olduðunu göstermektedir: artan akýþ giriþ alanlarý, azalan basýnç düþüþleri ve artan geçirgenlik. Gözlemlenen iskelet geçirgenlik deðerlerinin, insan trabeküler kemiði için bildirilen aralýkta olduðu ve böylece etkili besin taþýnmasýný ve metabolik atýklarýn uzaklaþtýrýlmasýný desteklediði bulunmuþtur. WSS analizi, iskelet yüzeylerinin %30,28 ila %74,64'ünün kemik hücresi geliþimine elveriþli olan 10-30 mPa'lýk optimal aralýkta olduðunu ortaya koymuþtur. Akýþ hýzlarý fizyolojik laminer sýnýrlar içinde kalmýþ, böylece uygun mekanik uyarým ve iskeletler boyunca düzgün akýþ daðýlýmý saðlanmýþtýr. Özetle, kiriþ tabanlý kafes mimarileri, yapýsal özellikler ve akýþ performansý arasýnda dengeli bir iliþki sergilemiþtir. Bu çalýþma, kemik rejenerasyonu potansiyellerinin kapsamlý bir deðerlendirmesini sunmakta ve gelecekteki deneysel doðrulama için bir temel oluþturmaktadýr.

Anahtar Kelimeler: Kiriþ esaslý kafes, Geçirgenlik, WSS, Kemik rejenerasyonu