EXPERIMENTAL AND NUMERICAL MECHANICAL ANALYSIS OF AN OSTEOINDUCTIVE PCL 3D PRINTED SCAFFOLD

Bone loss has significant effects on patient’s quality of life, and because of a prolonged life ex- pectancy and aging world population the need for bone grafting procedures to replace skeletal defects has become more considerable because of increased opportunities to save major bone loss, resulting from congenital abnormalities, trauma, disease or surgical resection. There are a number of challenges associated with the current restoration methods for bone defects, which are autografts and allografts, such as limited supply, risk of complications, immune reactions and the transmis- sion of infectious agents. Bone tissue engineering has demonstrate a great potential over the past decades, however the syntetic biomaterials developed as alternatives often lack in mimicking the native tissue structure, leading to a failure in properly integrate the recipient site. Thus, replacing bone tissue with a three-dimensional (3D) bioprinted scaffolds may help to produce construct that represent more faithfully anatomic features and mechanical properties of the native bone. The aim of the work is to study the mechanical and functional characteristics of 3D printed PCL/Alginate scaffolds using an FDM technology printer (Cellink INKREDIBLE +, )as structural design parameters vary. Following the printing of batches of scaffolds with different infill patterns and the subsequent compression tests, the mechanical characteristics are analyzed to find the differences between the two patterns analyzed: Linear and Honeycomb. In parallel to the experimental analysis, numerical analyses are also carried out using the Abaqus software to try to replicate the compression tests as faithfully as possible. Following the first phase of evaluation of the pattern on the mechanical characteristics, an analysis is also conducted on the influence of the introduction of inclusions in the scaffold, used to contain non-mechanically structural osteoinductive material, on the stiffness of the scaffold. The use of the information obtained from the experimental analyzes and the corresponding numerical analyzes aim to develop a patient-specific design and implementation strategy with specific case study for the jaw. After having ascertained that the Honeycomb pattern Scaffolds are more rigid than those with linear patterns and therefore are closer to the range of values of the mandibular bone, it was found that the Honeycomb pattern offers a minor decrease in performance following the removal of PCL to make way for bioactive material. As future developments using the experimental data used to calibrate the numerical simulations, the shape of the inclusion could be optimized, leaving its volume unchanged in order to evaluate the impact of the SVR on the mechanical properties of the co-bioprinted scaffold, aiming to obtain the stiffner scaffold as possible without affect its osteogenic properties.

ANALISI MECCANICA SPERIMENTALE E NUMERICA DI UNO SCAFFOLD DI PCL OTTENUTO TRAMITE STAMPA 3D. La perdita ossea ha effetti significativi sulla qualità di vita del paziente e, a causa di un’aspettativa di vita prolungata e invecchiamento della popolazione mondiale la necessità di procedure di innesto osseo per sostituire difetti sono diventati più considerevoli a causa delle maggiori opportunità di salvare la perdita di massa ossea, derivanti da anomalie congenite, traumi, malattie o resezioni chirurgiche. Ci sono un numero di sfide associate agli attuali metodi di restauro per i difetti ossei, che sono autoinnesti e allotrapianti, come la fornitura limitata, rischio di complicanze, reazioni immunitarie e trasmissione di agenti infettivi. L'ingegneria del tessuto osseo ha dimostrato un grande potenziale nei passati decenni, tuttavia, i biomateriali sintetici sviluppati come alternative spesso mancano di imitare la struttura tissutale nativa, portando a un fallimento nella corretta integrazione del sito d’impianto. Quindi, sostituendo il tessuto osseo con scaffold tridimensionali (3D) biostampati può aiutare a produrre costrutti che replicano più fedelmente le caratteristiche anatomiche e le proprietà meccaniche dell'osso nativo. Lo scopo del lavoro è studiare le caratteristiche meccaniche e funzionali della stampa 3D di scaffold PCL/Alginato che utilizzano una stampante con tecnologia FDM (Cellink INKREDIBLE +, ) al variare di parametri di progettazioni strutturali. A seguito della stampa di lotti di scaffold con diversi pattern di riempimento e le successive prove di compressione, le caratteristiche meccaniche vengono analizzate per trovare le differenze tra i due modelli analizzati: lineare e a nido d'ape. Parallelamente all'analisi sperimentale, vengono effettuate analisi numeriche utilizzando il software Abaqus per cercare di replicare i test di compressione il più fedelmente possibile. A seguito delle prima fase di valutazione del pattern sulle caratteristiche meccaniche, viene condotta anche un'analisi sull'influenza dell'introduzione di inclusioni negli scaffold, utilizzate per contenere materiale osteoinduttivo non meccanicamente strutturale, sulla rigidità dello stesso. L'uso delle informazioni ottenute dalle analisi sperimentali e le corrispondenti analisi numeriche mirano a sviluppare una progettazione e un'implementazione specifiche per il paziente con caso di studio specifico per la mascella. Dopo aver accertato che il modello nido d’ape è più rigido del pattern lineare e quindi gli scaffold a nido d’ape sono più vicini alla gamma di valori di rigidezza dell'osso mandibolare, si è riscontrato che il pattern a nido d’ape offre una minor diminuzione nelle prestazioni in seguito alla rimozione del PCL per far posto al materiale bioattivo. Come futuri sviluppi utilizzando i dati sperimentali utilizzati per calibrare le simulazioni numeriche, la forma dell'inclusione potrebbe essere ottimizzato, lasciando invariato il suo volume per valutare l'impatto dell'SVR sulle proprietà meccaniche dello scaffold co-biostampato, al fine di ottenere un costrutto che sia il più resistente possibile senza intaccarne le proprietà osteogeniche.