Sviluppo e validazione di un phantom biomimetico e biomeccanicamente fedele del seno umano, realizzato mediante tecnologia di stampa 3D

Accurate reproduction of human soft tissues represents one of the most complex challenges in biomedical engineering and clinical simulation. In this context, phantoms play a central role in surgical simulation and medical device validation, requiring materials and technologies capable of faithfully reproducing the mechanical response and anatomical heterogeneity of biological tissues. The present thesis focuses on the development and validation of a biomimetic human breast phantom capable of accurately reproducing its biomechanical behavior, exploiting the advantages of embedded 3D printing. The main objective of the work is the accurate reproduction of the internal structure of breast tissue. This architecture was translated into a strut-node cellular configuration based on body-centered cubic (BCC) unit cells. This lattice structure, characterized by variable porosity, was inspired by the microstructure of adipose and glandular tissues to reproduce their density and morphological complexity. To develop a functional external prosthesis, silicone materials certified for skin contact were selected. The research work was divided into three phases. In the first phase, the mechanical properties of four different silicone formulations were characterized. Through quasi-static tensile and compression tests, the two silicones most suitable for reproducing the typical elastic range of breast tissue were identified. Subsequently, the two selected materials were also subjected to cytotoxicity tests to assess their biocompatibility and suitability for phantom fabrication. Based on the elastic modulus values obtained and finite element method (FEM) numerical simulations, the Gibson–Ashby parameters were determined and used to define the target relative densities of the phantoms. Starting from these target density values, BCC structures characterized by different unit cell sizes and strut diameters were designed and fabricated. These structures were produced through embedded 3D printing within an aqueous-based support gel. Once fabricated, the different lattice configurations were subjected to mechanical compression tests to evaluate their elastic modulus and validate the predictive model. To perform a first quantitative validation of the proposed design and methodology, the work concluded with the fabrication of a reduced-scale prosthesis, integrating the internal BCC lattice with a dense external silicone shell. Although preliminary, the results obtained confirm the feasibility of the proposed approach and its ability to reproduce the structural heterogeneity and biomechanical response of breast tissue in a controlled manner, laying the groundwork for future developments aimed at further improving the anatomical and mechanical fidelity of the phantom.

La riproduzione accurata dei tessuti molli umani rappresenta una delle sfide più complesse nell'ambito dell'ingegneria biomedica e della simulazione clinica. In questo contesto, i phantom svolgono un ruolo fondamentale per simulazione chirurgica e la validazione di dispositivi medici, richiedendo materiali e tecnologie in grado di replicare fedelmente la risposta meccanica e l'eterogeneità anatomica dei tessuti biologici. Il presente lavoro di tesi è incentrato sulla realizzazione e validazione di un phantom biomimetico del seno umano capace di riprodurne fedelmente il comportamento biomeccanico, sfruttando i vantaggi della stampa 3D embedded. L’obiettivo principale del lavoro è la riproduzione accurata della struttura interna del tessuto mammario: tale architettura è stata tradotta in una configurazione cellulare di tipo strut-node basata su celle elementari a cubo a corpo centrato (BCC). Tale struttura reticolare, realizzata con porosità variabile, trae ispirazione dalla microstruttura del tessuto adiposo e ghiandolare per riprodurne la densità e la complessità morfologica. Con l’obiettivo di realizzare una protesi esterna funzionale, si è scelto di impiegare materiali siliconici certificati per il contatto cutaneo. Il lavoro di ricerca è stato suddiviso in tre fasi. Nella prima è stata condotta la caratterizzazione delle proprietà meccaniche di quattro differenti formulazioni siliconiche: attraverso prove quasi statiche a trazione e compressione, sono stati identificati i due siliconi più idonei a replicare il range elastico tipico del tessuto mammario. Successivamente, i due materiali selezionati sono stati caratterizzati anche tramite prove di citotossicità per verificare la biocompatibilità e l’impiego nella realizzazione di phantom. Sulla base dei valori di modulo elastico ottenuti e di simulazioni numeriche agli elementi finiti (FEM), sono stati definiti i parametri di Gibson-Ashby, utili per determinare le densità relative target dei phantom. A partire da tali valori di densità, sono state progettate e generate strutture BCC caratterizzate da differenti dimensioni di cella elementare e diametri dello strut. Tali strutture sono realizzate tramite stampa 3D embedded all’interno di gel di supporto a base acquosa. Una volta ottenute, le diverse configurazioni reticolari sono state sottoposte a prove meccaniche di compressione, al fine di valutarne il modulo elastico e validare il modello predittivo. Con l’obiettivo di condurre una prima validazione quantitativa del design e della metodologia proposta, si è concluso con la realizzazione di una protesi in scala ridotta, integrando il reticolo BCC interno con una shell esterna densa in silicone. I risultati ottenuti, seppur preliminari, confermano la fattibilità dell’approccio proposto e la sua capacità di riprodurre in modo controllato l’eterogeneità strutturale e la risposta biomeccanica del tessuto mammario, ponendo le basi per futuri sviluppi volti a perfezionare la fedeltà anatomica e meccanica del phantom.