Progettazione di scaffold cedevoli con proprietà morfologiche e meccaniche personalizzate

Attualmente esiste un’evidente necessità clinica di sviluppare strategie per riparare i difetti estetici dei tessuti molli superficiali che superano gli approcci ad oggi disponibili. La scelta chirurgica è sempre stata orientata all’utilizzo di protesi o riempitivi al silicone, a cui ancora oggi sono legati alti tassi di complicanze. Gli attuali strumenti di modellazione geometrica (CAD), abbinati alle tecnologie di Additive Manufacturing (AM) disponibili sul mercato, si presentano come promettenti per la realizzazione di riempitivi altamente personalizzati per la compensazione di grandi volumi dovuti a malformazioni estetiche congenite o causate da pregressi interventi. Nel presente lavoro è stato proposto un approccio di ingegneria tissutale attraverso l’utilizzo di strutture reticolari biodegradabili con dimensioni, forma, porosità e proprietà meccaniche controllate per agevolare la formazione di nuovi tessuti molli. Rispetto all’attuale stato dell’arte in cui i riempitivi sono generalmente realizzati tramite strutture reticolari lineari, in questo lavoro è stata sviluppata una nuova strategia per progettare e fabbricare scaffold cedevoli utilizzando strutture reticolari costituite da struts sinusoidali. Sei tipologie di celle unitarie sinusoidali con proprietà geometriche differenti sono state modellate geometricamente e analizzate numericamente. Dalla ripetizione delle celle unitarie nello spazio cartesiano sono stati realizzati campioni reticolari tramite Stereolitografia (SLA), successivamente sottoposti a test di compressione uniassiale. Per la modellazione delle prime tre celle unitarie è stata fissata l’ampiezza sinusoidale a 1 mm considerando livelli di densità relativa del 10%, 15%, 20%; per le restanti tre celle sono stati considerati differenti valori di ampiezza sinusoidale (0.8 mm, 1 mm, 1.2 mm) mantenendo costante la densità relativa al 10%. Tutti i modelli presentano come parametro variabile il raggio degli struts. Sono state condotte analisi numeriche di omogenizzazione agli elementi finiti per ognuna delle celle unitarie realizzate, da cui è stato ottenuto un modello matematico che descrive, al variare della direzione di applicazione del carico, le proprietà meccaniche della struttura reticolare, in funzione della densità relativa e dell’ampiezza della sinusoide. I risultati numerici confermano l’effetto di tali parametri sul comportamento meccanico: strutture reticolari sinusoidali presentano una flessibilità che aumenta all’aumentare dell’ampiezza della sinusoide, e che diminuisce all’aumentare della densità relativa, in tutte le direzioni testate. Dal confronto tra i risultati sperimentali e l’analisi numerica è emerso un buon accordo per livelli di densità relativa fino al 15%. Infine, è stato proposto un workflow di progettazione utilizzato nel caso applicativo che ha visto la realizzazione di uno scaffold per la correzione di un difetto malformativo da petto escavato in un paziente pediatrico.