Sviluppo di Scaffold in Biovetro Calcio-Silicato con Struttura Giroidea tramite MSLA: Studio Morfologico e Strutturale

Biosilicate bioglass is an innovative class of bioactive materials with broad applications in the field of bone regeneration. Due to their chemical composition and ability to interact with biological fluids, these materials facilitate the formation of a surface layer of hydroxyapatite, thus promoting the growth and regeneration of bone tissue. They are used in various biomedical fields, including bone grafts and implant coatings. In parallel, pre-ceramic polymers play a key role in the production of advanced ceramic components. Their ability to transform into ceramics through heat treatment, combined with the possibility of fabrication through additive manufacturing, allows the creation of complex and porous structures, ideal for applications in the biomedical and engineering sectors. In the present experimental study, three-dimensional calcium-silicate scaffolds with a gyroid structure were designed and fabricated using nanoemulsions derived from silicone pre-ceramic polymers. Fabrication was performed by means of masked stereolithography (MSLA), a high-resolution 3D printing technique that allows precise control of geometries and porosity. The scaffolds obtained present a compositional matrix similar to 70S30C bioglass, with the inclusion of pyrolytic carbon as a secondary phase and the absence of hydrophobic silica. The main objective of the study was to examine the influence of the chemical composition of bioglass on the morphology and structural properties of the scaffolds, with a focus on the topological correspondence between the digital model, the moulded object and the ceramic structure. In addition, the role of carbon as a reactive phase during heat treatment in a nitrogen atmosphere was investigated. An innovative aspect of this investigation is the use of heat treatment at 1400 °C, a higher temperature than those commonly used. During this process, carbothermal reduction and nitriding phenomena occur: the pyrolytic carbon acts as a reducing agent, facilitating the removal of oxygen from the glass network, the incorporation of nitrogen and the formation of new crystalline phases. The result is a material with a higher mechanical strength for the same density. Characterisation of the samples was conducted using various macro- and microstructural analysis techniques, including X-ray diffraction (XRD), porosity analysis, optical microscopy and scanning electron microscopy (SEM). The results obtained made it possible to correlate the chemical composition with the morphology and thermal behaviour of bioglass, highlighting its potential in the biomedical field, particularly for applications in bone tissue engineering.

I biovetri a base di biosilicato costituiscono una classe innovativa di materiali bioattivi con ampie applicazioni nel campo della rigenerazione ossea. Grazie alla loro composizione chimica e alla capacità di interagire con i fluidi biologici, questi materiali facilitano la formazione di uno strato superficiale di idrossiapatite, promuovendo così la crescita e la rigenerazione del tessuto osseo. Essi trovano impiego in vari ambiti biomedici, tra cui innesti ossei e rivestimenti per impianti. Parallelamente, i polimeri preceramici rivestono un ruolo fondamentale nella produzione di componenti ceramici avanzati. La loro capacità di trasformarsi in ceramici attraverso trattamenti termici, combinata con la possibilità di fabbricazione mediante manifattura additiva, permette la creazione di strutture complesse e porose, ideali per applicazioni nei settori biomedico e ingegneristico. Nel presente studio sperimentale, sono stati progettati e realizzati scaffold tridimensionali a base di calcio-silicato con struttura giroidea, utilizzando nanoemulsioni derivate da polimeri preceramici siliconici. La fabbricazione è stata effettuata tramite stereolitografia mascherata (MSLA), una tecnica di stampa 3D ad alta risoluzione che permette un controllo preciso delle geometrie e della porosità. Gli scaffold ottenuti presentano una matrice compositiva simile al biovetro 70S30C, con l'inclusione di carbonio pirolitico come fase secondaria e l'assenza di silice idrofobica. L'obiettivo principale dello studio è stato esaminare l'influenza della composizione chimica del biovetro sulla morfologia e sulle proprietà strutturali degli scaffold, con particolare attenzione alla corrispondenza topologica tra il modello digitale, l'oggetto stampato e la struttura ceramizzata. Inoltre, è stato approfondito il ruolo del carbonio come fase reattiva durante i trattamenti termici in atmosfera di azoto. Un aspetto innovativo di questa indagine è l'impiego di un trattamento termico a 1400 °C, una temperatura superiore rispetto a quelle comunemente utilizzate. Durante questo processo, si verificano fenomeni di riduzione carbotermica e nitrurazione: il carbonio pirolitico agisce come agente riducente, facilitando la rimozione dell'ossigeno dalla rete vetrosa, l'incorporazione dell'azoto e la formazione di nuove fasi cristalline. Il risultato è un materiale che, a parità di densità, presenta una maggiore resistenza meccanica. La caratterizzazione dei campioni è stata condotta utilizzando diverse tecniche di analisi macro- e microstrutturale, tra cui la diffrazione a raggi X (XRD), l'analisi della porosità, la microscopia ottica e la microscopia elettronica a scansione (SEM). I risultati ottenuti hanno consentito di correlare la composizione chimica con la morfologia e il comportamento termico dei biovetri, mettendo in luce il loro potenziale nel campo biomedico, in particolare per applicazioni nell'ingegneria tissutale ossea.