Sviluppo di ink fotoreticolabili a base di gelatina funzionalizzata per la stampa stereolitografica

Hydrogels play a key-role among biomaterials for biomedical engineering, as a matter of fact they can mimic the extracellular environment, they are versatile and easy to process. To date, Gelatin Methacryloyl (GelMA) represents the gold standard and the most used material in the scientific literature. However, research is also going towards the development of new photocrosslinkable hydrogels in order to fill the gaps and overcome GelMA limitations. The progress of 3D printing techniques applicable to polymers allows the achievement of in vitro models and scaffolds for tissue engineering. Photocrosslinkable hydrogels, namely those derived from natural materials, are particularly attractive given their bio- and cytocompatibility, availability, low risk and straightforward processability. The present thesis work focuses on the synthesis and characterization of innovative gelatin-based hydrogels which can crosslink through photo-click chemistry mechanisms, in particular Thiolated Gelatin (GelSH) and Norbornene-functionalized Gelatin (GelNB), both analysed from a chemical and mechanical point of view, in comparison with GelMA. To be specific, the undergone analyses regard the quantification of the degree of functionalization of the materials as well as mechanical and weight variation tests. These kinds of polymers are commonly used through additive manufacturing techniques, stereolithography being of special interest. Together with the synthesis of new photocrosslinkable hydrogels, this work focuses on the comparison and optimization of such materials with regards to a stereolithographic printing process. PicoFAB, the small, stereolithographic, commercial printer under examination, is commonly used with photocurable resins. Hence, the printer has been subjected to an optimization process of its parameters and mechanisms, in order for it to approach the biomedical world, with special concerns to the printing of hydrogels. This work is keen on parameters such as the photoinitiatior, the printing material’s concentration, the implementation of a ventilation system for the printer and the photocrosslinking time for each layer of material. The workflow includes obtaining samples in order to verify the printing accuracy and reproducibility.

Nell’ambito dei biomateriali per l’ingegneria biomedica, gli idrogeli giocano un ruolo chiave, in quanto possono mimare l’ambiente extracellulare, sono particolarmente versatili e lavorabili. Ad oggi, il gold standard è rappresentato dalla gelatina metacrilata (GelMA), che in letteratura risulta essere il materiale maggiormente utilizzato. La ricerca è però indirizzata anche verso lo sviluppo di ulteriori idrogeli fotoreticolabili da poter affiancare alla GelMA, in grado di superarne i limiti. Il progresso delle tecniche di stampa 3D applicate ai polimeri permette l’ottenimento di modelli in vitro e scaffold per l’ingegneria dei tessuti. Gli idrogeli fotoreticolabili, in particolare se derivati da materiali naturali, sono di grande interesse per le proprietà di bio- e citocompatibilità, reperibilità, basso rischio e semplice processabilità. Il presente lavoro di tesi si concentra sulla sintesi e caratterizzazione di idrogeli che possano reticolare con meccanismi di photo-click, nello specifico gelatina tiolata (GelSH) e gelatina funzionalizzata con Norbornene (GelNB) e ne sono state investigate le proprietà fisiche e meccaniche, confrontandoli con la GelMA. Nello specifico, sono state eseguite analisi per la quantificazione del grado di funzionalizzazione dei materiali, prove meccaniche a compressione e prove di variazione ponderale. Questo tipo di polimeri è comunemente utilizzato tramite tecniche di additive manufacturing, tra le quali, di particolare interesse, è la sterelitografia. Questo lavoro, in aggiunta alla sintesi di nuovi idrogeli fotoreticolabili, si concentra su confronto e ottimizzazione di questi materiali rispetto ad un processo di stampa stereolitografica. La stampante in esame, PicoFAB, è una piccola stampante commerciale stereolitografica, comunemente utilizzata con resine fotoreticolabili. È stato quindi eseguito un processo di ottimizzazione dei suoi parametri e dei suoi meccanismi affinchè potesse essere avvicinata al mondo biomedico per la stampa di idrogeli. Lo studio si è concentrato in particolare su parametri quali fotoiniziatore, concentrazione del materiale da stampare, implementazione di un sistema di ventilazione per la stampante PicoFAB e tempo di fotoreticolazione per ogni layer di materiale. Si è proseguito con l’ottenimento di campioni per verificare la fedeltà di stampa e la riproducibilità dei risultati.