Direct Ink Writing di strutture core–shell bioattive per la sostituzione del tessuto osseo

The aim of this thesis is the development of core–shell structures intended for bone tissue replacement through the use of coaxial printing with Direct Ink Writing (DIW) technology. Two materials were investigated: an experimental bioglass (S53P4-MSK) and a bioceramic (sphene, CaTiSiO₅). The formulated mixtures were optimized to obtain homogeneous fluids, free of bubbles or agglomerates, with pseudoplastic and thixotropic behavior. Rheological analyses allowed the quantification of parameters such as G’ and G’’ (storage and loss moduli, respectively), the yield stress σY, and the recovery time, which were useful for assessing the suitability of the mixtures. The S53P4-MSK bioglass was used to fabricate scaffolds characterized by hollow cylindrical struts capable of maintaining their shape and avoiding collapse even in multilayer structures thanks to the optimized rheological properties. Sphene was used to produce core–shell structures characterized by a porosity gradient consisting of a dense core and a porous shell. To obtain the desired microstructure, different mixtures were tested starting from two different sets of precursors. One of the main challenges addressed concerned the fabrication of core–shell structures with a compact interface between the dense phase and the porous phase. The printed scaffolds were subjected to debinding and sintering thermal treatments, after which mass losses and geometric shrinkage were estimated. Microstructural analyses were carried out by scanning electron microscopy (SEM) to investigate morphology, and X-ray diffraction was used to identify the crystalline phases present. Finally, mechanical compression tests were performed to compare the properties of the fabricated components with those of bone tissue. In collaboration with the University of Modena and Reggio Emilia, in vitro tests were conducted to evaluate the bioactivity and biocompatibility of the materials used.

L’obiettivo di questa tesi è lo sviluppo di strutture core-shell destinate alla sostituzione di tessuto osseo mediante l’utilizzo di stampa coassiale con tecnologia Direct Ink Writing (DIW). Sono stati studiati due materiali: un biovetro sperimentale (S53P4-MSK) e un bioceramico(sfene CaTiSiO5). Le miscele formulate sono state ottimizzate al fine di ottenere fluidi omogenei, privi di bolle o agglomerati, con un comportamento pseudoplastico e tissotropico. Mediante analisi reologiche è stato possibile quantificare grandezze quali i moduli G’ e G’’ (di immagazzinamento e dissipazione rispettivamente), lo snervamento σY e il tempo di recupero, utili a selezionare l’idoneità delle miscele. Il biovetro S53P4-MSK è stato impiegato per la realizzazione di scaffold caratterizzati da struts cilindrici cavi, capaci di mantenere la forma e non collassare anche in strutture multi-layer grazie alle ottimizzate proprietà reologiche. Lo sfene è stato utilizzato per la produzione di strutture core-shell caratterizzate da un gradiente di porosità costituite da un core denso e una shell porosa. Al fine di ottenere la microstruttura desiderata, sono state testate diverse miscele a partire da due differenti set di precursori. Una delle principali criticità affrontate ha riguardato la realizzazione di strutture core-shell aventi un’interfaccia compatta tra la fase densa e la fase porosa. Gli scaffold stampati sono stati sottoposti a trattamenti termici di debinding e sinterizzazione, in seguito ai quali sono state stimate le perdite in massa e le contrazioni geometriche. Sono state condotte analisi microstrutturali mediante microscopia elettronica a scansione (SEM) per investigare la morfologia e diffrazione X per identificare le fasi cristalline presenti. Infine, sono state eseguite prove meccaniche di compressione, per confrontare le proprietà dei componenti realizzati con le proprietà del tessuto osseo. In collaborazione con l’Università di Modena e Reggio Emilia sono stati condotti test in vitro al fine di valutare la bioattività e biocompatibilità dei materiali utilizzati.