Manifattura additiva e caratterizzazione di scaffold in fosfato di calcio per la rigenerazione ossea

Bone regeneration represents one of the major current clinical challenges, as bone defects resulting from trauma or degenerative diseases, among other causes, are continuously increasing. To date, the gold standard for the treatment of such defects is autologous bone grafting; however, this approach presents several limitations, including limited tissue availability, prolonged healing times, and the risk of hemorrhage and infection. To overcome these issues, bioactive three-dimensional scaffolds have been developed in recent years, designed to mimic both the mechanical and biological properties of natural bone. In particular, this thesis focuses on calcium phosphate–based materials, such as hydroxyapatite and tricalcium phosphate. These materials are widely employed due to their chemical composition, which is similar to the mineral phase of bone, as well as their biocompatibility and bioactivity. Moreover, the possibility of fabricating controlled porous structures promotes tissue ingrowth and enhances vascularization, making these materials especially suitable for bone regeneration applications. Accordingly, five different scaffold models based on TPMS (Triply Periodic Minimal Surfaces) geometries were designed and fabricated using stereolithographic 3D printing with a photopolymerizable resin. After printing, the samples were subjected to thermal treatments to remove the organic phase and consolidate the ceramic structure. The subsequent phase involved the characterization of printing parameters and the performance of mechanical and biological tests, including compression and permeability tests, aimed at evaluating the structural properties and the potential interaction with the biological environment. Finally, the obtained results were compared among the different models to identify the geometries exhibiting the best performance in terms of mechanical behavior and regenerative potential, contributing to the development of customized scaffolds for future clinical applications.

La rigenerazione ossea rappresenta una delle principali sfide cliniche attuali, poiché i difetti ossei, derivanti da traumi o patologie degenerative per esempio, sono in costante aumento. Ad oggi, il gold standard per il trattamento di tali difetti è rappresentato dall’autotrapianto osseo; questa soluzione, però, presenta diversi limiti, come la disponibilità limitata di tessuto, tempi di guarigione prolungati, emorragie e infezioni. Per superare queste problematiche, negli ultimi anni sono stati sviluppati scaffold tridimensionali bioattivi, progettati per mimare sia le proprietà meccaniche sia quelle biologiche dell’osso naturale. In particolare, in questo lavoro di tesi, useremo i materiali a base di fosfati di calcio, come l’idrossiapatite e il tricalcio fosfato. Questi vengono impiegati grazie alla loro composizione chimica, simile alla parte minerale dell’osso, alla loro biocompatibilità e bioattività. Inoltre, la possibilità di realizzare strutture porose controllate consente di favorire la crescita tissutale e migliorare la vascolarizzazione, rendendo questi materiali particolarmente adatti alla rigenerazione ossea. Dunque sono stati progettati e realizzati cinque modelli differenti di scaffold basati su geometrie TPMS (Triply Periodic Minimal Surfaces), mediante stampa 3D stereolitografica, utilizzando una resina fotopolimerizzabile. Dopo la stampa, i campioni sono stati sottoposti a trattamenti termici per eliminare la parte organica e consolidare la struttura ceramica. La fase successiva ha previsto la caratterizzazione dei parametri di stampa e l’esecuzione di prove meccaniche e biologiche, tra cui test di compressione e prove di permeabilità, con l’obiettivo di valutare le proprietà strutturali e la potenziale interazione con l’ambiente biologico. Infine, i risultati ottenuti sono stati confrontati tra i diversi modelli per individuare le geometrie con le migliori prestazioni in termini di comportamento meccanico e potenziale rigenerativo, contribuendo allo sviluppo di scaffold personalizzati per applicazioni cliniche future.