Scaffold bioceramici ad alta efficienza meccanica attraverso stampa 3D di emulsioni di polimeri preceramici

This research aims to develop a ceramic system for bone tissue engineering, with a dual objective: on the one hand, material-oriented, focused on obtaining three-dimensional porous structures with high mechanical efficiency and enhanced bioactivity; on the other hand, biological, aimed at assessing the cellular response and in vitro biocompatibility. The study focuses on ceramic materials belonging to the melilite group, namely calcium, magnesium, and zinc silicates, which in recent years have been considered among the most promising candidates as an alternative to bioactive glasses, thanks to their comparable bioactivity and superior mechanical properties. The raw materials employed to obtain these ceramics consist of silicone polymers mixed with calcium, magnesium, and zinc oxide precursors, resulting in a fully liquid mixture compatible with high-resolution 3D printing via stereolithography. The objective of the thesis is to verify the feasibility of producing the desired ceramic system and to fabricate porous components with high mechanical strength relative to their density. To complete the study, a biological validation will be carried out, including pH analysis in physiological solution or water to evaluate the evolution of ionic release over time, in vitro cell culture tests, assessment of cell viability, and observation of cell morphology on the material surfaces.

La presente ricerca si propone di sviluppare un sistema ceramico per l’ingegneria tissutale dell’osso, con un duplice obiettivo: da un lato, materialistico, mirato all’ottenimento di strutture porose tridimensionali ad alta efficienza meccanica e bioattività elevata; dall’altro, biologico, volto alla valutazione della risposta cellulare e della compatibilità in vitro. Lo studio si concentra su materiali ceramici appartenenti al gruppo delle meliliti, ovvero silicati di calcio, magnesio e zinco, considerati tra i candidati più promettenti negli ultimi anni come alternativa ai biovetri, grazie a una bioattività comparabile e a proprietà meccaniche superiori. Le materie prime impiegate per ottenere questi materiali consistono in polimeri siliconici miscelati con precursori di ossidi di calcio, magnesio e zinco, dando origine a una miscela completamente liquida, compatibile con la stampa 3D tramite stereolitografia ad alta risoluzione. L’obiettivo della tesi è verificare la possibilità di ottenere il sistema ceramico desiderato e realizzare componenti porosi con elevata resistenza meccanica in rapporto alla densità. A completamento dello studio verrà effettuata una validazione biologica, che includerà l’analisi del ph in soluzione fisiologica o acqua per valutare l’evoluzione del rilascio ionico nel tempo, test in vitro di coltura cellulare, valutazione della vitalità cellulare e osservazione della morfologia cellulare sulle superfici del materiale.