Additive manufacturing of bioactive glass scaffolds for bone repair by stereolithography

In questo lavoro di tesi, per la prima volta, è stato proposto l’utilizzo della tecnica di additive manufacturing (AM) della Stereolitografia basata sul Digital Light Processing (DLP) per la produzione di scaffold porosi in biovetro a base di silice. In primo luogo, si è proceduto con la preparazione delle polveri di vetro bioattivo a base di silice (47.5B, composizione: 47.5SiO2-10Na2O-10K2O-10MgO-20CaO-2.5P2O5 mol.%) presso i laboratori del DISAT. Le polveri sono poi state trasportate presso l’azienda austriaca Lithoz GmbH, operante nel campo dell’additive manufacturing per diversi settori, tra cui quello aerospaziale, industriale e medico. Parte dell’attività sperimentale di tesi è stata svolta in Lithoz, dove sono stati realizzati circa 80 scaffold cilindrici porosi (porosità totale 35 ± 5%) partendo dal modello CAD di una spugna polimerica, che imitasse l’architettura trabecolare dell’osso e fosse in grado di favorire la rigenerazione ossea attraverso la tecnica AM della stereolitografia basata sul digital light processing. È stata effettuata la caratterizzazione dello slurry a base del vetro 47.5B, valutandone la viscosità e il comportamento foto-reologico, la stampa degli scaffold grazie all’utilizzo del sistema stereolitografico CeraFab 7500 e la valutazione del miglior trattamento termico nel forno Nabertherm P330 per la rimozione della componente organica e la sinterizzazione delle particelle vetrose. Gli scaffold prodotti con questa tecnica innovativa hanno dimostrato eccellenti proprietà meccaniche, confrontabili con quelle dell’osso umano. Presentano un modulo elastico di E=4.8±0.9 GPa confrontabile con quello dell’osso corticale umano e un modulo di Weibull pari a 3.9, il quale dimostra una buona affidabilità delle strutture prodotte. Successivamente, presso i laboratori del DISAT, i campioni sono stati valutati dal punto di vista della bioattività in vitro tramite l’immersione per 5 periodi di tempo diversi (24 ore, 48 ore, 1 settimana, 2 settimane e 1 mese) in soluzione SBF (simulated body fluid). Sono poi state effettuate, sia sugli scaffold tal quali, sia sugli scaffold dopo immersione in SBF, le analisi SEM/EDS e µ-CT, per valutare la morfologia e il grado di porosità degli scaffold, e XRD per la valutazione delle fasi cristalline presenti. Queste analisi sono particolarmente importanti per lo studio della bioattività in quanto consentono di capire se si è formato uno strato di idrossiapatite sulla superficie del campione dopo immersione in SBF, grazie allo scambio ionico tra materiale e soluzione, che permette la rigenerazione dell’osso e l’osteointegrazione. E’ stato notato l’ispessimento dello strato di idrossiapatite sulla superficie all’aumentare del tempo di immersione in SBF con un contestuale modesto aumento del valore di pH della soluzione verso l’alcalinità, fino a 7.8, che promuove l’azione degli osteoblasti nel processo di osteogenesi. L’utilizzo della sterolitografia-DLP è dunque risultata di grandi potenzialità per la produzione di scaffold porosi e meritevole di ulteriori studi e approfondimenti.