BIOGENIC HYDROXYAPATITE: ADDITIVE MANUFACTURING AND CHARACTERIZATION OF SCAFFOLDS FOR BONE ENGINEERING

Bone regeneration represents one of the primary clinical challenges today, as skeletal defects resulting from trauma or degenerative pathologies are steadily increasing. Although autologous bone grafting remains the gold standard for treating such defects, limited tissue availability and potential side effects restrict its widespread application. To overcome these issues, research in recent years has focused on the development of personalized, bioactive three-dimensional scaffolds designed to mimic both the mechanical and biological properties of natural bone. In this context, the present study focuses on Biogenic Hydroxyapatite (BHA) derived from animal bone. BHA was selected not only for its high biocompatibility and structural similarity to the mineral phase of bone but primarily because its biogenic origin ensures the incorporation of essential trace ions for biological functionality. The inclusion of these ions, known for their osteo-stimulating role and their ability to positively influence cellular activity, provides BHA with significantly higher bioactivity and osteoinductive potential compared to pure synthetic hydroxyapatite. Furthermore, the ability to create controlled porous structures through additive manufacturing enables the optimal promotion of tissue ingrowth and vascularization. To evaluate the performance and clinical suitability of the samples, a multi-level characterization was performed. Physical and mechanical analyses were conducted to assess density, porosity, dimensional shrinkage, and compressive properties, including Young’s modulus, compressive strength, and toughness. The structural and chemical integrity of the material was further investigated using X-ray Diffraction (XRD) to confirm the HA crystalline phase and investigate residual natural cations, while Fourier-Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) was employed to evaluate chemical stability. Morphological observations were carried out via Scanning Electron Microscopy (SEM), while the elemental composition and the mapping of characteristic trace cations were determined through Energy Dispersive Spectroscopy (EDS) and X-ray Fluorescence (XRF). Finally, the results obtained from this comparative study across different sintering temperatures will be used to identify the optimal thermal protocol capable of balancing mechanical performance with structural and chemical properties, significantly contributing to the development of BHA scaffolds for future clinical applications.

La rigenerazione ossea rappresenta oggi una delle principali sfide cliniche, poiché i difetti scheletrici derivanti da traumi o patologie degenerative sono in costante aumento. Sebbene l’autotrapianto osseo rimanga il gold standard per il trattamento di tali difetti, la limitata disponibilità di tessuto e i potenziali effetti collaterali ne restringono l'impiego su larga scala. Per superare queste problematiche, negli ultimi anni la ricerca si è focalizzata sullo sviluppo di scaffold tridimensionali bioattivi e personalizzati, progettati per mimare sia le proprietà meccaniche che biologiche dell’osso naturale. In questo contesto, il presente studio si concentra sull'Idrossiapatite Biogenica (BHA) derivata da osso animale. La BHA è stata selezionata non solo per la sua elevata biocompatibilità e somiglianza strutturale con la fase minerale dell'osso, ma principalmente perché la sua origine biogenica garantisce l'incorporazione di ioni traccia essenziali per la funzionalità biologica. L'inclusione di questi ioni, noti per il loro ruolo osteo-stimolante e per la loro capacità di influenzare positivamente l'attività cellulare, conferisce alla BHA una bioattività e un potenziale osteoinduttivo significativamente superiori rispetto all'idrossiapatite sintetica pura. Inoltre, la capacità di creare strutture porose controllate tramite manifattura additiva permette di favorire in modo ottimale la crescita tissutale e la vascolarizzazione. Per valutare le performance e l'idoneità clinica dei campioni, è stata eseguita una caratterizzazione multilivello. Sono state condotte analisi fisico-meccaniche per valutare densità, porosità, ritiro dimensionale e le proprietà a compressione, inclusi il Modulo di Young, la resistenza alla compressione e la tenacità. L'integrità strutturale e chimica del materiale è stata ulteriormente indagata utilizzando la Diffrattometria a Raggi X (XRD) per confermare la fase cristallina dell'HA e investigare i cationi naturali residui, mentre la Spettroscopia a Infrarossi in Trasformata di Fourier (FTIR) è stata impiegata per valutare la stabilità chimica. Le osservazioni morfologiche sono state effettuate tramite Microscopia Elettronica a Scansione (SEM), mentre la composizione elementare e la mappatura dei cationi traccia caratteristici sono state determinate attraverso la Spettroscopia a Dispersione di Energia (EDS) e la Fluorescenza a Raggi X (XRF). Infine, i risultati ottenuti da questo studio comparativo tra diverse temperature di sinterizzazione verranno utilizzati per identificare il protocollo termico ottimale in grado di bilanciare le performance meccaniche con le proprietà strutturali e chimiche, contribuendo in modo significativo allo sviluppo di scaffold in BHA per future applicazioni cliniche.