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Multi-objective design and validation of a bioinspired tri-zonal scaffold for tendon-bone interfaces

脚手架 材料科学 有限元法 刚度 接口(物质) 熔融沉积模型 组织工程 纳米技术 天然组织 极限抗拉强度 纳米尺度 生物医学工程 接口设计 机械工程 一体化设计 拉伸试验 沉积(地质) 表征(材料科学)
作者
Lorenzo B. Kunkels,J. Yang,Maria Klimopoulou,E. Yarali,J. Li,Marius Alexander Leeflang,R.P. Tas,Lidy Elena Fratila-Apachitei,AMIR ABBAS ZADPOOR,Mohammad Javad Mirzaali
出处
期刊:Materials & Design [Elsevier BV]
卷期号:272: 117305-117305
标识
DOI:10.1016/j.matdes.2026.117305
摘要

The tendon-bone interface exhibits a complex gradient in mechanical and morphological properties, enabling robust load transfer between soft and hard tissues. Replicating this functionality in engineered scaffolds remains challenging. Here, we present a computational-experimental framework for developing tri-zonal scaffolds with spatially varying stiffness and zone-specific architectures for tendon-bone interface applications. A hybrid lattice combining strut-based and surface-based geometries was used to generate tendon-like, transitional, and bone-like zones. Homogenization-based modeling and 3D finite element simulations were used to screen 36 feasible design configurations. Two representative designs were fabricated via fused deposition modeling and integrated with an alginate-gelatin hydrogel. Micro-computed tomography was used to assess manufacturing fidelity, and identify architecture-dependent geometric deviations, while mechanical testing characterized the response of the fabricated scaffolds and hydrogel-integrated constructs. Design A exhibited a 72–93% higher maximum tensile force than Design B, with failure observed predominantly within the hydrogel adjacent to the scaffold-hydrogel interface. Preliminary in vitro observations with MC3T3-E1 preosteoblasts showed qualitative differences in cell morphology and spatial organization between scaffold architectures and zones. These findings demonstrate the use of a multi-objective design framework for integrating zone-specific mechanical and morphological requirements and provide a basis for further development of engineered soft-hard tissue interfaces.

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