Modellazione, ottimizzazione e stampa 3D tramite tecnica DLP di scaffold multi-gradiente per la rigenerazione di difetti osteocondrali

Questa tesi analizza la progettazione e la fabbricazione di scaffold multi-gradiente per la rigenerazione di difetti osteocondrali tramite la tecnica di stampa 3D DLP (Digital Light Processing). Le lesioni osteocondrali rappresentano una sfida significativa nel campo della medicina rigenerativa, poiché richiedono il ripristino sia della cartilagine articolare sia dell'osso subcondrale, caratterizzati da proprietà biomeccaniche e microarchitetture diverse. Il lavoro esplora l'uso di scaffold basati su superfici minimali periodiche (TPMS), come gyroid, diamond e schwarz primitive, per ricreare la struttura anisotropa e la complessità funzionale dei tessuti osteocondrali. La ricerca si concentra sulla modellazione e ottimizzazione delle geometrie degli scaffold per ottenere un gradiente di porosità ottimizzato, capace di rispondere alle necessità fisiologiche e biomeccaniche della cartilagine e dell'osso. Le geometrie sono state create e parametrizzate utilizzando MATLAB e Python per Blender, consentendo una modellazione precisa. In preparazione all'ottimizzazione degli scaffold con gradiente di porosità, è stato condotto un confronto con strutture a porosità costante per evidenziarne le differenze e individuare la soluzione più adatta. La biocompatibilità dei materiali è stata considerata cruciale per garantire l'integrazione e la rigenerazione dei tessuti, con particolare attenzione all'uso di materiali ceramici e polimerico-ceramici per favorire la proliferazione e la differenziazione cellulare. Le simulazioni CFD (Computational Fluid Dynamics) sono state effettuate utilizzando il software OpenFOAM. I parametri geometrici delle tre strutture sono stati variati per individuare la geometria ottimale per ciascuna forma, in base alle condizioni fisiologiche reali. L'ottimizzazione ha portato a tre geometrie finali con specifici parametri geometrici: per il gyroid, il diametro dei pori è compreso tra 100 e 400 micrometri, lo spessore della parete è di 0,9 mm e la porosità è del 71,04%; per il diamond, il diametro dei pori è compreso tra 125 e 350 micrometri, lo spessore della parete è di 0,7 mm e la porosità è del 74,97%; per la schwarz primitive, il diametro dei pori è compreso tra 50 e 315 micrometri, lo spessore della parete è di 1 mm e la porosità è del 67,28%. In conclusione, il gyroid si è dimostrato più facilmente modellabile, con un range di parametri più ampio rispetto allo schwarz primitive, il cui range utilizzabile risulta invece molto ristretto a causa della conformazione della cella e del suo valore di tortuosità. In generale, il gyroid e il diamond hanno dimostrato migliori prestazioni in termini di permeabilità e distribuzione dello shear stress rispetto allo schwarz primitive, rendendoli più adatti a supportare le necessità fisiologiche della cartilagine e dell'osso. Il gyroid si è rivelato la struttura più versatile, con una buona capacità di adattamento per la rigenerazione osteocondrale, mentre il diamond presenta una combinazione equilibrata di resistenza meccanica e porosità. Le simulazioni e le analisi hanno confermato che la scelta della geometria gioca un ruolo fondamentale nel garantire la funzionalità e l'efficacia dello scaffold nelle applicazioni di ingegneria tissutale rigenerativa.