Vat Photopolymerization and Phosphatization of Biopolymer-Calcium-Based Scaffolds for Bone Tissue Engineering

Bones have the function of supporting and protecting the organs of our body. In an ageing population, bone diseases are rapidly increasing, and their treatment is therefore one of the main challenges in the field of tissue engineering. Among the most relevant solutions is the creation of three-dimensional scaffolds that can mimic the surrounding tissue and guide bone regeneration processes. My thesis work is part of a university project in which a bioactive composite scaffold was developed consisting of a biopolymeric phase of soybean oil acrylate and a ceramic phase of calcium nitrate tetrahydrate, subsequently converted to hydroxyapatite, with the aim of mimicking the nature of bone tissue. Bone consists of an organic phase, mainly composed of collagen fibers, and an inorganic phase whose main component is hydroxyapatite. The three-dimensional scaffold were printed with a gyroid structure, a porosity of 90% and using vat photopolymerization technique. This is a very simple, high-resolution printing method that enables the fabrication of objects with complex shapes and allows for customization, which is essential in the biomedical field. Calcium nitrate was successfully converted to hydroxyapatite by simply immersing the scaffold in a phosphatizing bath (an aqueous solution of dibasic sodium phosphate) maintained at 80 °C for 14 days. The scaffold were immersed in two different phosphatizing solutions with different molar concentrations and microstructural, X-ray diffraction and mechanical analyses were then carried out to determine the concentration that yields the best hydroxyapatite production and optimum mechanical properties. A comparison was also made with scaffolds obtained by the same techniques but consisting of a biopolymeric phase of soybean oil acrylate and a ceramic phase of calcium carbonate in order to demonstrate the promising qualities of using calcium nitrate tetrahydrate.

Le ossa hanno la funzione di sostenere e proteggere gli organi del nostro corpo, in una popolazione che invecchia le malattie ossee sono in forte aumento e il loro trattamento risulta quindi essere una delle sfide principali nel campo dell’ingegneria tissutale. Tra le soluzioni più rilevanti vi è la creazione di scaffold tridimensionali in grado di imitare il tessuto circostante e guidare i processi di rigenerazione ossea. Il mio lavoro di tesi si inserisce in un progetto universitario in cui è stato sviluppato uno scaffold composito bioattivo costituito da una fase biopolimerica di olio di soia acrilato e da una fase ceramica di nitrato di calcio tetraidrato, successivamente convertito in idrossiapatite, con l’obiettivo di imitare la natura del tessuto osseo. L’osso è costituito da una fase organica, principalmente composta da fibre di collagene, e una fase inorganica il cui componente principale è proprio l’idrossiapatite. Gli scaffold tridimensionali sono stati stampati con una struttura a giroide, una porosità del 90% e utilizzando la stereolitografa mascherata. È un metodo di stampa molto semplice e ad alta risoluzione che consente la fabbricazione di oggetti di forma complessa e ne permette la personalizzazione, aspetto fondamentale in campo biomedico. Il nitrato di calcio è stato convertito con successo in idrossiapatite attraverso la semplice immersione degli scaffold in un bagno fosfatizzante (una soluzione acquosa di sodio fosfato bibasico) mantenuto a 80 °C per 14 giorni. Gli scaffold sono stati immersi in due differenti soluzioni fosfatizzanti con diversa concentrazione molare e si sono svolte poi analisi microstrutturali, di diffrazione a raggi X e meccaniche al fine di determinare la concentrazione che permette di ottenere la migliore produzione di idrossiapatite e le proprietà meccaniche ottimali. È stato inoltre svolto un confronto con degli scaffold ottenuti con le medesime tecniche ma costituiti da una fase biopolimerica di olio di soia acrilato e da una fase ceramica di carbonato di calcio col fine di dimostrare le promettenti qualità derivanti dall’utilizzo del nitrato di calcio tetraidrato.