Unità base per la manifattura additiva di scaffold bioriassorbibili per tessuti molli: revisione della letteratura scientifica

With the aim of understanding what are the determining factors in the choice of the base cell for a biomedical scaffold, in this thesis work we propose a wide-ranging overview of the fundamental aspects of these structures, mainly from a point of view of the mechanical properties and the materials used. First of all, roles and requirements of biomedical scaffolds are outlined, from which there are advantages and potential compared to "traditional" prosthetic gold-standards. Following is a brief description of the structural parameters of construction and the correlation between the latter (degree of porosity, shape, pore size) and the overall mechanical stiffness. With particular reference to scaffolds for soft tissues, we briefly describe additive manufacturing techniques (AM) and polymeric materials of interest. Additive manufacturing is preceded by a design phase using CAD or similar. A database of fundamental units is then presented, starting from the beam based cell model and from basic polyhedral geometries: the CASTS system (Computer Aided System Tissue Scaffold). By comparison of the results of mechanical tests on PCL scaffolds (from literature)a brief mechanical characterisation of the elements of the CASTS system and the corresponding structures obtained by repetition in the three main directions of the space of the fundamental units, with reference to combinations of polyhedra and Functionally Graded scaffold. Starting from analytical relationships for the prediction of the Young and Poisson module of the structure based on the type of repeated cell, we propose an "inverse" method that allows to identify the most suitable geometries among those proposed, notes the characterization of the native reference tissue. The formulation of the Maxwell criterion has allowed to catalog the cells in bending and stretching dominated, purely subject to bending or traction, respectively. Specifically, breast fat tissue, whose replacement scaffolds and fillers are exemplified for large volumes, is briefly described in its peculiar aspects and used as a reference for an application example of the proposed method. In order to provide a wider overview of the types of cells, not only polyhedral, and any future developments, we offer, in conclusion, examples of breast scaffolds based on TPMS (Triply Periodic Minimal Surfaces), sinusoidal and helical struts.

Con l’obbiettivo di arrivare a comprendere quali siano i fattori determinanti nella scelta della cella base per uno scaffold biomedicale, in questo lavoro di tesi si propone una panoramica ad ampio raggio sugli aspetti fondamentali di queste strutture, principalmente da un punto di vista delle proprietà meccaniche e dei materiali utilizzati. Si delineano, in primis, ruoli e requisiti degli scaffold biomedicali, dai quali si evincono vantaggi e potenzialità rispetto ai gold-standard protesici “tradizionali”. Segue una breve descrizione dei parametri strutturali di costruzione e la correlazione tra questi ultimi (grado di porosità, forma, dimensione dei pori) e la rigidezza meccanica complessiva. Con particolare riferimento agli scaffold per soft tissues, si descrivono brevemente le tecniche di manifattura additiva (AM) ed i materiali polimerici di interesse. La manifattura additiva è preceduta da una fase di progettazione mediante CAD o simili. Viene quindi presentato, a partire dal modello di cella beam based e da geometrie poliedriche di base, un database di unità fondamentali: il sistema CASTS (Computer Aided System Tissue Scaffold). Mediante un paragone tra i risultati di prove meccaniche eseguite su scaffold in PCL (da letteratura), viene effettuata una breve caratterizzazione meccanica degli elementi del sistema CASTS e delle corrispondenti strutture ottenute mediante ripetizione nelle tre direzioni principali dello spazio delle unità fondamentali, con accenno a combinazioni di poliedri e Functionally Graded scaffold. A partire da relazioni analitiche per la previsione del modulo di Young e di Poisson della struttura sulla base della tipologia di cella ripetuta, si propone un metodo “inverso” che permette di individuare le geometrie più adatte tra quelle proposte, nota la caratterizzazione del tessuto nativo di riferimento. La formulazione del criterio di Maxwell ha permesso di catalogare le celle in bending e stretching dominated, prettamente soggette a flessione o a trazione, rispettivamente. Si considera nello specifico il tessuto adiposo mammario, i cui scaffold sostitutivi e riempitivi sono esemplificativi per grandi volumi, esso viene brevemente descritto nei suoi aspetti peculiari e utilizzato come riferimento per un esempio applicativo del metodo proposto. Al fine di fornire una panoramica più ampia sulle tipologie di celle, non solo poliedriche, e su eventuali sviluppi futuri, si offrono, in conclusione, esempi di scaffold mammari basati su TPMS (Triply Periodic Minimal Surfaces), struts sinusoidali ed elicoidali.