Additive manufacturing of bioceramics from magnesium-containing silicone-based emulsions

Recently research efforts have focused on biodegradable implant materials that degrade completely in the body leaving no toxic products and, hence, no secondary surgery needed for implant removal. For this purpose, the implanted materials are made with an interconnected porous structure which allows the diffusion of essential nutrients, and cell proliferation, allowing the bone tissue to grow forming a strong bond with the implant material. Recently, magnesium-based silicate ceramics, such as forsterite (Mg2SiO4), have been investigated because of the beneficial role of Mg and Si ions for bone regeneration. Silicon (Si) and magnesium (Mg) are crucial elements of human bones. Silicon is one of the bioactive constituents in human body which can promote proliferation and differentiation of osteoblasts and it participates also in the mineralization process that leads to new bone formation. For what concerns magnesium, it can improve bone mineral density and affects bone absorption. It also plays an important role in osteoblast adhesion, differentiation, proliferation, and bone mineralization. Forsterite is an important material of olivine family of crystals in the magnesia3 silica system and it is characterized by an enhanced degradation rate, good biocompatibility and solubility and possesses excellent in vitro apatite-formation ability. Thanks to all these properties, forsterite can be useful as a biomaterial for implants with improved mechanical properties, in particular for what concerns the fracture toughness that results to be higher than in hydroxyapatite ceramics. The aim of this project is, hence, to form a porous 3D structure characterized by optimal mechanical properties able to better mimic bone tissue. Scaffolds are manufactured using stereolithography equipment (DLP). It starts testing different types of mixture in order to produce the better 3D porous structure. Then this work goes on evaluating density and porosity through the use of helium pycnometer and geometrical measurements. Porosity and pore dimensions indeed are crucial factors for the realization of this kind of scaffold because they allow cell adhesion, cell migration in the scaffold, cellular oxygenation, nutrient diffusion but also the removal of waste products. To better understand the potential of this material, also mechanical compression tests are performed. These tests indeed help to analyze if these scaffolds, realized in forsterite, are able to supports the typical loads of natural bone. Other analyses were performed by means of X-ray diffraction in order to analyze the results given by the mixture printed. In order to be sure of their applicability and to verify their integration with the host tissue, in the future they should be tested in vitro and in vivo.

Recentemente la ricerca nell9ambito dei biomateriali si è concentrata particolarmente su materiali per impianti biodegradabili applicabili nel campo della rigenerazione del tessuto osseo, capaci di decomporsi completamente all9interno del corpo senza rilasciare sottoprodotti tossici. Questi non richiedono un intervento chirurgico secondario per essere rimossi e sono realizzati con una struttura porosa interconnessa che permette la diffusione dei nutrienti essenziali per il corpo e la proliferazione cellulare, consentendo quindi al tessuto osseo di crescere formando un forte legame con il materiale dell'impianto. Recentemente, i materiali ceramici a base di silicio e magnesio, in particolare la forsterite (Mg2SiO4), sono stati investigati grazie al ruolo benefico degli ioni Mg e Si per la rigenerazione ossea. Il silicio (Si) e il magnesio (Mg) infatti sono elementi cruciali delle ossa umane. Il silicio è uno dei costituenti bioattivi nel corpo umano che può promuovere la proliferazione e la differenziazione degli osteoblasti partecipando anche al processo di mineralizzazione che porta alla formazione di nuovo osso. Il magnesio invece, può migliorare la densità minerale ossea e influenzare l'assorbimento osseo. Lo ione Mg gioca anche un ruolo importante nell'adesione, differenziazione e proliferazione degli osteoblasti ma anche nel processo di mineralizzazione ossea. Per quanto riguarda la forsterite, questa è un materiale importante della famiglia delle olivine, ed è caratterizzata da un migliore tasso di degradazione, una buona biocompatibilità e solubilità e possiede inoltre un'eccellente capacità di formazione di apatite in vitro. Grazie alle sue ottime proprietà meccaniche, in particolare modo grazie alla sua ottima tenacità a frattura, superiore rispetto a quella dei materiali ceramici a base di idrossiapatite, può essere un ottimo biomateriale per impianti ossei. L'obiettivo principale di questo lavoro è quindi formare scaffold, ovvero strutture 3D porosa caratterizzate da proprietà meccaniche ottimali e capaci di mimare meglio il tessuto osseo. Gli scaffold sono fabbricati utilizzando la stampa stereolitografica (DLP). Il seguente lavoro è iniziato testando diversi tipi di miscele per poi stamparle e valutarne la densità e la porosità attraverso l'uso del picnometro a elio e misurazioni geometriche. Infatti, la porosità e le dimensioni dei pori sono fattori cruciali per la realizzazione di questo tipo di scaffold poiché permettono l'adesione, la migrazione, l'ossigenazione cellulare nello scaffold e la diffusione di nutrienti, garantendo al tempo stesso la rimozione dei prodotti di scarto. Per comprendere meglio il potenziale di questo materiale, vengono eseguiti anche test di compressione meccanica che aiutano ad analizzare se questi scaffold, realizzati in forsterite, sono in grado di supportare i carichi tipici dell'osso naturale. Altre analisi sono state eseguite mediante diffrazione a raggi X per anadare ad analizzare le fasi cristalline della miscela stampata. Per essere sicuri della loro applicabilità e per verificare la loro integrazione con il tessuto ospite, sarebbe auspicabile in futuro condurre test in vitro e in vivo.