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Additive manufacturing of bioactive glass scaffolds for bone repair by stereolithography

Carlo Pillosu

Additive manufacturing of bioactive glass scaffolds for bone repair by stereolithography.

Rel. Francesco Baino, Enrica Verne'. Politecnico di Torino, Corso di laurea magistrale in Ingegneria Biomedica, 2022

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Abstract:

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.

Relators: Francesco Baino, Enrica Verne'
Academic year: 2021/22
Publication type: Electronic
Number of Pages: 108
Subjects:
Corso di laurea: Corso di laurea magistrale in Ingegneria Biomedica
Classe di laurea: New organization > Master science > LM-21 - BIOMEDICAL ENGINEERING
Ente in cotutela: Lithoz GmbH (AUSTRIA)
Aziende collaboratrici: UNSPECIFIED
URI: http://webthesis.biblio.polito.it/id/eprint/23741
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