Metodologia per progettare strutture porose da biostampare Università Politecnica della Catalogna  (UPC) di Barcellona

Dalla produzione di protesi e impianti personalizzati alla pianificazione chirurgica e alla bioprinting di organi e tessuti , la stampa 3D ha molte applicazioni mediche. In termini di ingegneria del tessuto osseo e bioprinting 3D, gli scaffold stampati in 3D sono utilizzati come modelli per aiutare la formazione del tessuto e l’attaccamento iniziale delle cellule, nonché per riparare le protesi attraverso l’osteointegrazione. Abbiamo visto scaffold realizzati con tutti i tipi di materiali, come un composto in curcuma , zucchero e  plastica , ma i migliori sono quelli con una buona porosità ingrado di simulare il tessuto.

Non è sempre facile fabbricare strutture porose con dimensioni specifiche dei pori utilizzando la tecnologia FDM. Un trio di ricercatori dell’Università Politecnica della Catalogna  (UPC) di Barcellona ha pubblicato un documento dal titolo ” Stampa 3D di scaffold porosi con porosità controllata e valori di dimensione dei pori “, spiegando come hanno sviluppato un nuovo metodo di progettazione di scaffold porosi per la stampa 3D FDM .

L’abstract recita: “Il presente documento fornisce una metodologia per progettare strutture porose da stampare. Innanzitutto, un modello viene definito con alcuni piani teorici paralleli, che sono delimitati all’interno di una figura geometrica, ad esempio un disco. Ogni piano ha punti distribuiti casualmente su di esso. Quindi, i punti sono uniti con linee. Alla fine, le linee ricevono un certo volume e la struttura viene ottenuta. La porosità della struttura dipende da tre variabili geometriche: la distanza tra gli strati paralleli, il numero di colonne su ciascun livello e il raggio delle colonne. Al fine di ottenere modelli matematici per correlare le variabili con tre risposte, è stata utilizzata la porosità, la media del diametro dei pori e la varianza del diametro dei pori delle strutture, la progettazione di esperimenti con analisi fattoriale a tre livelli. Finalmente, l’ottimizzazione multiobiettivo è stata effettuata mediante il metodo della funzione di desiderabilità. Per favorire la fissazione delle strutture mediante osteointegrazione, la porosità va da 0,5 a 0,75, media delle dimensioni dei pori tra 0,1 e 0,3 mm e la varianza delle dimensioni dei pori tra 0,000 e 0,010 mm2  sono stati selezionati. I risultati hanno mostrato che la soluzione ottimale consiste in una struttura con un’altezza tra gli strati di 0,72 mm, 3,65 punti per mm 2 e un raggio di 0,15 mm. È stato osservato che, dati i valori di altezza e raggio fissi, le tre risposte diminuiscono con il numero di punti per unità di superficie. L’aumento del raggio delle colonne implica la diminuzione della porosità e della media delle dimensioni dei pori. La diminuzione dell’altezza tra gli strati porta ad una diminuzione più marcata della porosità e della media delle dimensioni dei pori. Per confrontare i valori calcolati e quelli sperimentali, gli scaffold sono stati stampati in acido polilattico (PLA) con tecnologia FDM. Porosità e dimensione dei pori sono stati misurati con tomografia a raggi X. Il valore medio della porosità misurata era 0,594, mentre la porosità calcolata era 0,537. Il valore medio della media misurata della dimensione dei pori era di 0,372 mm, mentre il valore calcolato era di 0,434 mm. Il valore medio della varianza della dimensione dei pori era 0,048 mm 2, superiore a quello calcolato di 0,008 mm 2 . Inoltre, i pori rotondi e allungati sono stati osservati nelle strutture stampate. L’attuale metodologia consente di progettare strutture con requisiti diversi per porosità e dimensioni dei pori. Inoltre, può essere applicato ad altre risposte. Sarà molto utile in applicazioni mediche come la simulazione di tessuti corporei o la fabbricazione di protesi. ”
Sezione trasversale dell’esemplare 1: (a) vista 3D e (b) vista 2D.
Per progettare scaffold porosi stampati in 3D in grado di simulare i tessuti, hanno bisogno di resistenza meccanica, che aiuta con protezione e supporto; permeabilità, che può dirigere il trasporto di sostanze nutritive; e area superficiale e interconnettività, entrambe relative alla buona crescita cellulare. Altri ricercatori hanno cercato di ottenere la porosità necessaria negli scaffold utilizzando la progettazione gerarchica e l’ottimizzazione della topologia. Ma il team UPC è andato in un modo diverso.

“A differenza di altri metodi basati su strutture a traliccio, il presente modello consente di ottenere strutture porose irregolari dalla posizione casuale delle colonne nello spazio, che lasciano vuoti tra di loro. Nello specifico, la struttura è stata modellata con piani paralleli uniti da colonne, con un certo numero di colonne su ciascun piano “, hanno scritto i ricercatori.
Hanno applicato il loro modello a una forma di disco e definito tre diverse variabili:

Distanza tra piani paralleli
Numero di punti base per colonne su ciascun piano
Raggio di ogni colonna
Quindi, il team ha utilizzato l’analisi dimensionale per ridurre il numero di variabili di processo a due sole e ha definito i requisiti “per un caso di applicazione specifico: l’uso di una struttura porosa in strati esterni di protesi dell’anca emisferiche”.

Struttura porosa stampata (riscalaggio dello scaffold progettato mediante fattore di ridimensionamento di cinque).
Per confrontare i risultati del loro esperimento con risultati calcolati calcolativamente, i ricercatori hanno utilizzato una stampante 3D Sigma a doppio estrusore da BCN3D per fabbricare tre scaffold di campioni da PLA, quindi misurato la loro dimensione dei pori e la loro porosità totale. I ricercatori hanno scoperto che i risultati misurati non erano dissimili dai risultati calcolati.

“Nel lavoro futuro, saranno affrontati altri requisiti per le strutture, relativi alla resistenza meccanica o al trasporto di massa. Inoltre, è necessario migliorare il processo di stampa FDM per ottenere parti più accurate e lisce “, hanno concluso i ricercatori.
I coautori del documento sono Irene Buj-Corral ,  Ali Bagheri e Oriol Petit-Rojo.

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