Caratterizzazione meccanica scaffold per tessuti ossei realizzati con stampa 3D e validazione modello computazionale

The aim of this work is to develop a computational model able to predict the mechanical behaviour of scaffolds produced for the restoration of bone tissue. Said model has been validated by comparing the apparent elastic modulus determined experimentally on scaffolds made in polycaprolactone. The model was able to predict the experimental elastic modulus with a difference of a systematic factor of 2. This discrepancy could be caused by the degradation of the polycaprolactone in the printing process, although this hypothesis has not been verified. The model was then used to predict the behaviour of scaffolds made with a new bioink. This required the characterization of the material to determine its elastic parameters, which constitute the input parameters of the numeric model. The experimental tests, performed to verify the accuracy of the model's predictions formerly developed, highlighted the limits of the new bioink, which for the most part consist in its extreme fragility. This limit, already made evident in the bulk characterization, posed a critical issue preventing the production of more complex microstructures with an offset between consecutive planes. This prevented the completion of the planned studies since the two types of microstructure produced collapsed without being able to withstand load levels needed to speculate a linear elastic behaviour, making impossible the comparison with the numeric model predictions. This model is still a starting point to develop a tool useful to the selection of different types of microstructures based on the mechanical properties and the ideal microstructural features for the proliferation and differentiation of cells. The completion of its development requires to overcome the actual critical issue of the bioink represented by its extreme fragility.

Lo scopo di questo lavoro di tesi è stato sviluppare un modello computazionale che fosse in grado di predire il comportamento meccanico di scaffold realizzati per la riparazione del tessuto osseo. Tale modello è stato validato per confronto con il modulo elastico apparente determinato sperimentalmente su scaffold realizzati in policaprolattone. Il modello è stato in grado di predire il modulo elastico determinato sperimentalmente a meno di un fattore sistematico pari a 2. Non è escluso che tale discrepanza sia stata dovuta ad un degrado del policaprolattone in fase di stampa, sebbene tale ipotesi non sia stata verificata. Il modello è stato quindi utilizzato per predire il comportamento di scaffold realizzati con un nuovo bioinchiostro. Questo ha richiesto la caratterizzazione del materiale per determinarne i parametri elastici che costituiscono i parametri di ingresso del modello numerico. Le prove sperimentali, eseguite per verificare l’accuratezza delle predizioni del modello precedentemente sviluppato, hanno evidenziato i limiti del nuovo bioinchiostro, rappresentati principalmente dalla sue estrema fragilità. Tale limite, già emerso in fase di caratterizzazione del materiale, ha costituito una criticità impedendo la realizzazione di microstrutture più complesse in cui i piani successivi erano sfalsati tra loro. Questo ha impedito di completare il piano delle attività pianificate in quanto i due tipi di microstrutture realizzate sono collassate senza essere in grado di sopportare livelli di carico tali da ipotizzare un comportamento lineare elastico, rendendo impossibile il confronto con le predizioni del modello numerico. Tale modello costituisce comunque la base per sviluppare uno strumento utile per selezionare diverse tipologie di microstruttura sulla base delle proprietà meccaniche e delle caratteristiche microstruttturali ideali alla proliferazione e differenziazione delle cellule. Il completamento del suo sviluppo richiede il superamento della criticità attuale del bioinchiostro rappresentata dalla sue estrema fragilità.