Publicação
Design Performance of Triply Periodic Minimal Surfaces for Advanced Bioprocessing and Tissue Engineering Applications
| datacite.subject.fos | Engenharia e Tecnologia::Engenharia Eletrotécnica, Eletrónica e Informática | |
| dc.contributor.advisor | Alves, Nuno Manuel Fernandes | |
| dc.contributor.advisor | Valente, Joana Filipa Abreu Pereira | |
| dc.contributor.advisor | Sousa, Fani Pereira de | |
| dc.contributor.author | Vieira, Rodrigo da Conceição | |
| dc.date.accessioned | 2026-02-20T09:37:03Z | |
| dc.date.available | 2026-02-20T09:37:03Z | |
| dc.date.issued | 2025-12-05 | |
| dc.description.abstract | As Triply Periodic Minimal Surfaces (TPMS) têm suscitado crescente interesse como scaffolds arquitetados para aplicações dependentes de escoamento, devido à sua elevada porosidade, canais interconectados e geometrias matematicamente definidas. Estas características tornam-nas particularmente atrativas para separações cromatográficas e para a construção de tecidos perfundidos. No entanto, apesar do estudo extensivo das suas propriedades de transporte em termos gerais, o desempenho específico das TPMS em aplicações concretas permanece insuficientemente caracterizado, dificultando o estabelecimento de diretrizes racionais de conceção. Esta dissertação combina modelação paramétrica, Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD) e ensaios experimentais para investigar o comportamento fluido-dinâmico de scaffolds TPMS produzidos por manufatura aditiva. No caso de estudo I, foram analisados scaffolds TPMS e um controlo de tipo “lattice” com porosidades de 60-80% e alturas de 10-50 mm. As simulações CFD quantificaram a permeabilidade, a queda de pressão e as distribuições de velocidade, enquanto ensaios experimentais a 70% de porosidade e alturas de 10-20 mm avaliaram a pressão do sistema e a simetria dos picos cromatográficos obtidos com fluxo de água, BSA e pDNA. No caso de estudo II, simulações CFD a uma altura fixa de 10 mm e porosidades de 60-80% avaliaram o escoamento e a tensão de corte (WSS) sob perfusões de 0,1-2 mL/min. No caso de estudo I, os scaffolds TPMS atingiram permeabilidades de 7,8×10-8-1,5×10-7 m², substancialmente superiores ao controlo (≈10-9 m²), resultando em quedas de pressão até dez vezes inferiores. Os ensaios confirmaram que a pressão do sistema aumentava com o tamanho do soluto e a altura da coluna, enquanto colunas mais altas (20 mm) agravavam a assimetria dos picos. Para a mesma altura, TPMS com poros mais finos melhoraram a simetria dos picos, evidenciando a influência da densidade de células unitárias. No caso de estudo II, a permeabilidade aumentou com a porosidade, enquanto os valores de WSS variaram entre ~0,03-1,1 mPa nas gamas de perfusão testadas. A taxas de fluxo mais elevadas, os valores de WSS aproximaram-se dos intervalos reportados na literatura para estimular a osteogénese, e os scaffolds de tipo giroid promoveram distribuições mais homogéneas de escoamento e de corte do que o controlo. No seu conjunto, este trabalho estabelece relações quantitativas entre conceção e desempenho para scaffolds TPMS, clarificando compromissos-chave e fornecendo uma base para a otimização da geometria e dos parâmetros de processo em aplicações de bioprocessamento e engenharia de tecidos. | por |
| dc.description.abstract | Triply Periodic Minimal Surfaces (TPMS) have gained increasing attention as architected scaffolds for flow-driven applications, owing to their high porosity, interconnected channels, and mathematically defined geometries. These features render them particularly attractive for chromatographic separations and perfused tissue constructs. However, despite extensive study of their general transport properties, the application-specific performance of TPMS scaffolds remains insufficiently characterised, hindering the establishment of rational design guidelines. This thesis combines parametric modelling, Computational Fluid Dynamics (CFD), and experimental assays to investigate the fluid dynamic behaviour of additively manufactured TPMS scaffolds. In case study I, TPMS and lattice-control scaffolds were analysed at porosities of 60-80% and heights of 10-50 mm. CFD simulations quantified permeability, pressure drop and velocity distributions, while experimental trials at 70% porosity and 10-20 mm heights assessed system pressure and chromatographic peak symmetry with water, BSA, and pDNA. In case study II, CFD simulations at a fixed 10 mm height and porosities of 60-80% evaluated flow behaviour and WSS under perfusion rates between 0.1-2 mL/min. In case study I, TPMS scaffolds achieved permeabilities of 7.8×10-8-1.5×10-7 m², substantially higher than the lattice control (≈10-9 m²), resulting in pressure drops up to ten times lower. Experiments confirmed that system pressure increased with solute size and column height, while taller structures (20 mm) worsened peak asymmetry. At equal height, finer-pore TPMS improved peak symmetry, emphasising the role of unit-cell density. In case study II, permeability rose with porosity, while WSS values spanned ~0.03-1.1 mPa across the tested flow rates. At higher perfusion rates, WSS approached literature-reported thresholds for osteogenic stimulation, and gyroid scaffolds promoted more homogeneous flow and shear distributions than the lattice control. Overall, this work establishes quantitative design-performance relationship for TPMS scaffolds, clarifying key trade-offs and providing a framework for optimizing geometry and process parameters in bioprocessing and tissue engineering applications. | eng |
| dc.identifier.tid | 204211840 | |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/10400.8/15685 | |
| dc.language.iso | eng | |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ | |
| dc.subject | Triply periodic minimal surfaces | |
| dc.subject | Fabricação aditiva | |
| dc.subject | Dinâmica de fluidos computacional | |
| dc.subject | Cromatografia | |
| dc.subject | Engenharia de tecidos | |
| dc.subject | Hidrodinâmica | |
| dc.title | Design Performance of Triply Periodic Minimal Surfaces for Advanced Bioprocessing and Tissue Engineering Applications | |
| dc.type | master thesis | |
| dspace.entity.type | Publication |
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