Mechanical Analysis of TPMS Neovius Structures in Biphasic Calcium Phosphate Scaffolds for Bone Tissue Regeneration Manufactured via Additive Manufacturing.

Every year, millions of patients require a bone graft. This occurs in cases of severe injuries, infections, tumors, diseases such as osteoporosis, or following surgical procedures involving the removal of bone segments. In most cases, the bone graft is harvested from the same patients through autografting. However, due to high costs, limited availability, and the morbidity associated with the surgical procedure, the demand for alternative sources is constantly increasing.To meet this need, synthetic materials have attracted considerable interest in recent years. These materials offer several advantages, including the absence of disease transmission risk and the reproducibility of their chemical composition. Among the most studied synthetic materials, calcium phosphate-based ceramics stand out, particularly hydroxyapatite (HA), β-tricalcium phosphate (β-TCP), and their combination, known as biphasic calcium phosphate (BCP). This interest is justified by the fact that the main component of bone is an apatite-based calcium phosphate mineral. The combination of HA and TCP takes advantage of the complementary properties of the two materials: hydroxyapatite is more stable and less resorbable in the human body, while β-tricalcium phosphate is highly resorbable and promotes bone regeneration.In this thesis, five different samples with varying HA and TCP ratios were analyzed, as the proportion of these two components can be modulated to optimize the material’s properties in terms of bioactivity, bioresorbability, and mechanical properties according to specific applications. A Triply Periodic Minimal Surface (TPMS) structure of the Neovius type was adopted, chosen for its excellent mechanical properties observed in previous studies, and was fabricated using DLP printing technology. Once printed, the samples underwent a heat treatment at 1200°C.The research investigated the mechanical properties, porosity values, and thermal stability of the powders of five different samples with varying HA and TCP ratios, aiming to identify the most effective combination in terms of mechanical properties and print quality. Additionally, the effect of the resin used for printing the samples on the overall material properties was examined.The results showed that the 100% β-TCP composition was the most resistant in terms of mechanical properties. However, the best composition, considering porosity, apparent flexural strength, and the coexistence of both HA and β-TCP after heat treatment, was found to be the 50% β-TCP – 50% HA composition. The comparison between the resins allowed us to determine which one was the best in terms of print quality but not in terms of mechanical behavior.

Ogni anno, milioni di pazienti necessitano di un trapianto osseo. Questo accade in caso di lesioni gravi, infezioni, tumori, malattie come l’osteoporosi o a seguito di interventi chirurgici che comportano la rimozione di segmenti ossei. Nella maggior parte dei casi, l'innesto osseo viene prelevato dagli stessi pazienti tramite autoinnesto. Tuttavia, a causa dei costi elevati, della limitata disponibilità e della morbilità associata alla procedura chirurgica, la domanda di fonti alternative di quest’ultimo è in costante crescita. Per rispondere a questa esigenza, negli ultimi anni i materiali sintetici hanno suscitato un notevole interesse. Questi materiali offrono numerosi vantaggi tra i quali l'assenza di rischio di trasmissione di malattie, e la riproducibilità della loro composizione chimica. Tra i materiali sintetici più studiati spiccano le ceramiche a base di fosfato di calcio, in particolare l'idrossiapatite (HA), il fosfato di β-tricalcio (β-TCP) e la loro miscela, nota come fosfato di calcio bifasico (BCP). Questo interesse è giustificato dal fatto che il componente principale dell'osso è un minerale a base di fosfato di calcio apatitico. La combinazione di HA e TCP sfrutta le proprietà complementari dei due materiali: l'idrossiapatite è più stabile e meno riassorbibile nell'organismo umano, mentre il fosfato di β-tricalcio è altamente riassorbibile e promuove la rigenerazione ossea. Nel presente lavoro di tesi, sono state analizzati cinque diversi campioni con percentuali diverse tra HA e TCP, poiché la proporzione tra questi due componenti può essere modulata per ottimizzare le proprietà del materiale in termini di bioattività, bioriassorbibilità e proprietà meccaniche in funzione delle specifiche applicazioni. È stata adottata una struttura TPMS (Triply Periodic Minimal Surface) di tipo Neovius, scelta per le sue eccellenti proprietà meccaniche emerse in studi precedenti la quale è stata realizzata mediante tecnologia di stampa DLP. I campioni una volta stampati sono stati sottoposti ad un trattamento termico a 1200°. La ricerca ha indagato quindi le proprietà meccaniche, i valori di porosità e la stabilità termica della polveri di cinque diversi campioni con percentuali diverse tra HA e TCP, con l'obiettivo di individuare la combinazione più efficace in termini di proprietà meccaniche e qualità di stampa. Inoltre, è stato approfondito l'effetto della resina utilizzata per la stampa dei campioni sulle proprietà complessive dei materiali. I risultati hanno mostrato come la composizione al 100 % β-TCP risulti essere la più resistente in termini di proprietà meccaniche. La composizione migliore invece tenendo in considerazione anche la porosità, resistenza apparente a flessione e compresenza dopo il trattamento termico sia dell’HA che del β-TCP è risultata essere la composizione 50% β-TCP 50% HA. Il confronto tra le resine ci ha permesso invece di stabilire quale fosse la migliore in termini di qualità di stampa ma non di comportamento meccanico.