TEST SPERIMENTALI E COMPUTAZIONALI DI SCAFFOLD TPMS DI RETE PER L’INGEGNERIA TISSUTALE

In the field of Bone Tissue Engineering (BTE), one of the most significant challenges is the repair of bone defects. Among the most promising solutions is the use of porous scaffolds, particularly structures based on Triply Periodic Minimal Surfaces (TPMS). These geometries have gained significant attention as they can mimic the biomechanical properties of bone while promoting essential cellular processes for tissue regeneration. In this study, three different TPMS geometries (Diamond, Gyroid, and Primitive) were analyzed, build with two configurations (sheet and network) at different porosity levels (60% and 70%). The aim was to mechanically characterize these structures through compression tests, from which the Young’s modulus was obtained, and to verify the consistency of experimental results using finite element analysis (FEA) simulations in Abaqus. The effect of post-print resting time on the mechanical properties of the scaffolds was also investigated; for this purpose, two printing batches were compared: the first tested immediately after production (W1) and the second tested on the eighth week after production (W8). Finally, the behavior in the elastic region was assessed by comparing a linear elastic fitting with a Mooney-Rivlin hyperelastic model to determine which better described the mechanical response of the different scaffolds. The results highlighted greater resistance of sheet structures compared to network structures, with an increasing order of stiffness: Gyroid < Diamond < Primitive. Moreover, resting time showed a significant impact on mechanical properties, with a 50% increase in stiffness, suggesting a key role in material maturation processes. Lastly, a linear trend was found in the elastic region, for all geometries. However, to achieve a more accurate description of the mechanical response in this phase, further investigations could be conducted using more complex hyper- and viscoelastic models. Keywords: Bone Tissue Engineering (BTE), Triply Periodic Minimal Surfaces (TPMS), sheet, network, porosity, compression test, Young’s modulus, resting time.

Nell’ambito della Bone Tissue Engineering (BTE) una delle sfide più significative è rappresentata dalla riparazione dei difetti ossei. Tra le soluzioni più promettenti vi è l’uso di scaffold porosi, in particolare le strutture basate su superfici minime triplamente periodiche (TPMS). Queste geometrie hanno riscosso notevole successo perché sono in grado di imitare le proprietà biomeccaniche dell’osso favorendo processi cellulari fondamentali per la rigenerazione tissutale. In questo studio sono state analizzate tre diverse geometrie TPMS (Diamond, Gyroid e Primitive), valutate in due configurazioni (sheet e network) a diversi livelli di porosità (60% e 70%). L’obiettivo è stato caratterizzare meccanicamente queste strutture attraverso prove di compressione, dalle quali è stato ricavato il Modulo di Young, e verificare la coerenza dei risultati sperimentali mediante simulazioni agli elementi finiti (FEA) in Abaqus. È stato inoltre indagato l’effetto del tempo di riposo post-stampa sulle proprietà meccaniche degli scaffold; a tal fine, sono stati confrontati due lotti di stampa: il primo testato immediatamente dopo la produzione (W1) e il secondo testato all’ottava settimana dopo la produzione (W8). Infine, il comportamento nella regione elastica è stato valutato confrontando l’adattamento di un modello elastico lineare con un modello iperelastico di Mooney-Rivlin, per determinare quale descrivesse meglio la risposta meccanica dei diversi scaffold. I risultati hanno evidenziato una maggiore resistenza delle strutture sheet rispetto alle strutture network, con un ordine di rigidità crescente: Gyroid < Diamond < Primitive. Inoltre, il tempo di riposo ha mostrato un impatto significativo sulle proprietà meccaniche, con un incremento della rigidità pari al 50%, suggerendo un ruolo chiave nei processi di maturazione del materiale. Infine, per tutte le geometrie è stato osservato un comportamento lineare nella regione elastica. Tuttavia, per ottenere una descrizione più accurata della risposta meccanica in questa fase, potrebbero essere condotte ulteriori indagini utilizzando modelli iperelastici e viscoelastici più complessi. Parole chiave: Bone Tissue Engineering (BTE), Triply Periodic Minimal Surfaces (TPMS), sheet, network, porosità, prova di compressione, Modulo di Young, tempo di riposo.