Desenvolvimento de um modelo computacional de scaffold biomimético para regeneração óssea por meio da aplicação de diagramas de Voronoi: caracterização morfométrica e estrutural da microarquitetura trabecular

Abstract

O desenvolvimento de scaffolds para engenharia de tecidos ósseos tem demandado abordagens que vão além da seleção de materiais, incorporando o controle da microarquitetura como fator determinante do desempenho mecânico e funcional. Nesse contexto, o presente trabalho teve como objetivo o desenvolvimento de um modelo computacional tridimensional de scaffold biomimético, baseado em design generativo, visando sua aplicação potencial na regeneração óssea. A metodologia adotada baseou-se em um processo paramétrico, que permitiu o controle, a reprodutibilidade e o ajuste sistemático dos scaffolds. A caracterização morfológica foi realizada por meio de softwares de análise de imagens, como o BoneJ, e comparação com métricas utilizadas na caracterização da microarquitetura óssea, incluindo espessura e espaçamento trabecular, conectividade, anisotropia, dimensão fractal e fração de volume. Os resultados demonstraram que o refinamento da malha promove o aumento da densidade estrutural, da conectividade e da complexidade estrutural. As geometrias analisadas apresentaram comportamento predominantemente isotrópico e valores morfométricos compatíveis com as faixas reportadas para o osso trabecular humano, o que sustenta a relevância biomimética da abordagem proposta. Concluiu-se que o modelo computacional desenvolvido permite a geração e reprodução de um scaffold com porosidade controlada, oferecendo uma base metodológica consistente para aplicações futuras e contribuindo para o avanço de estratégias de desenvolvimento de scaffolds na engenharia de tecidos ósseos.

The development of scaffolds for bone tissue engineering has increasingly required approaches that go beyond material selection, incorporating microarchitectural control as a key factor for mechanical and functional performance. In this context, the present work aimed to develop a three-dimensional computational model of a biomimetic scaffold, based on generative design, with potential application in bone regeneration. The adopted methodology was based on a parametric computational process, enabling control, reproducibility, and systematic adjustment of scaffold architectures. Morphological characterization was performed using image analysis software, such as BoneJ, and by comparison with metrics commonly used to assess bone microarchitecture, including trabecular thickness and spacing, connectivity, anisotropy, fractal dimension, and volume fraction. The results demonstrate that mesh refinement increases structural density, connectivity, and geometric complexity. The analyzed geometries exhibited predominantly isotropic behavior and morphometric values compatible with ranges reported for human trabecular bone, supporting the biomimetic relevance of the proposed approach. It was concluded that the developed computational model enables the reproducible generation of scaffolds with controlled porosity, providing a consistent methodological basis for future applications and advancing scaffold design strategies in bone tissue engineering.