Additive Manufacturing of Voronoi Structures in Hydroxyapatite for Bone Tissue Engineering

Bone tissue undergoes remodeling, a process that allows it to self-repair, but when large defects due to traumas or diseases occur, this ability is compromised and bone grafts become necessary for structural and functional integrity of the tissue. Autografts are considered the gold standard, but their limited availability is still a challenge because of the increase of bone defects due to an aging population. To address this issue, bone tissue engineering has developed bone substitutes, structures that initially replace the damaged tissue, and then guide its regeneration, degrading to allow new bone formation. In this thesis, scaffolds for bone regeneration were created using hydroxyapatite (HA), a biocompatible ceramic material known for its strength and lightness characteristics, arranged in open and interconnected porous structures for ensuring bioactivity and appropriate mechanical properties. Eight structures that mimic trabecular bone were studied, each one with a different preferential orientation of trabeculae with respect to the vertical axes. Scaffolds were produced from 3D models, designed using Voronoi tessellation principles, that were sliced and printed using an additive manufacturing technique named Digital Light Processing (DLP), and then were subjected to heat treatment. Samples underwent geometric and density measurements as well as surface analyses to verify the printing quality and the effect of heat treatment. Results provided a porosity comparable to that of the 3D models, good printing quality and a shrinkage dependent on residual microporosity. XRD analysis was also performed to assess stability of powders during heat treatment, showing a partial conversion of HA to β-TCP. Uniaxial compression tests were performed along the longitudinal direction and Gibson Ashby model was applied to evaluate the apparent bending strength. Data showed that preferential orientation of trabeculae influences the structural behavior, and in particular, structures with higher values of apparent bending strength were found to be the ones with preferential orientation coincident with load direction.

Il tessuto osseo è soggetto al rimodellamento, un processo che permette la sua auto riparazione. Nel caso in cui si verifichino difetti ossei di una certa entità, dovuti a traumi o malattie, questa funzione è compromessa, e si rende necessario il trapianto osseo per ripristinare l’integrità strutturale e funzionale del tessuto. L’autotrapianto è considerato il gold standard, ma il principale limite è la scarsa disponibilità, dovuta all’invecchiamento della popolazione e al conseguente aumento dei difetti ossei. Per questo motivo, attraverso tecniche di ingegneria tissutale sono stati sviluppati i sostituti ossei, strutture che inizialmente rimpiazzano il tessuto danneggiato, e successivamente guidano la sua rigenerazione degradandosi e permettendo al nuovo osso di formarsi. In questa tesi, gli scaffold per la rigenerazione ossea sono stati prodotti utilizzando l’idrossiapatite (HA), un materiale ceramico biocompatibile conosciuto per le sue caratteristiche di resistenza a leggerezza, organizzati in strutture con porosità aperta ed interconnessa per permettere una bioattività e proprietà meccaniche appropriate. Sono state studiate otto strutture che imitano l’osso trabecolare, ognuna caratterizzata da una diversa orientazione preferenziale delle trabecole rispetto all’asse longitudinale. Gli scaffold sono stati prodotti a partire da modelli 3D, progettati secondo i principi della tassellazione di Voronoi. I modelli sono poi stati suddivisi in una serie di strati e stampati attraverso una tecnica di additive manufacturing chiamata Digital Light Processing (DLP), e infine sono stati sottoposti ad un trattamento termico. Sono state eseguite misurazioni geometriche e di densità oltre ad analisi superficiali per verificare la qualità di stampa e gli effetti del trattamento termico. I risultati forniscono una porosità aperta comparabile a quella dei modelli 3D, una buona qualità di stampa e un ritiro volumetrico dipendente dalla microporosità residua. È stata inoltre eseguita un’analisi XRD per valutare la stabilità delle polveri durante il trattamento termico, che ha mostrato una parziale conversione di HA in β-TCP. Infine, sono stati eseguiti dei test a compressione uniassiale lungo la direzione longitudinale, ed è stato applicato il modello di Gibson-Ashby per valutare la resistenza a flessione apparente. I risultati mostrano come la direzione preferenziale delle trabecole influenzi il comportamento meccanico delle strutture, ed in particolare, le strutture con valori più elevati di resistenza a flessione apparente risultano essere quelle la cui orientazione preferenziale coincide con la direzione del carico.