Development and testing of Voronoi-based scaffolds for bone tissue engineering with custom properties

The present study outlines the procedure employed in creating an irregular porous scaffold for the regeneration of trabecular bone tissue. The resulting scaffolds' microstructure has been obtained starting from the Voronoi tessellation algorithm. The algorithm developed during this work allows for a fine control over the preferential trabecular orientation which, in turn, influences the volumetric fraction too. This facilitates control over mechanical properties and the degree of anisotropy within the generated structures. It is possible to adjust the volumetric fraction by slightly changing the trabecular thickness of the structures in order to keep the first as constant as possible, making possible to compare different structures, even if the main aim remains the control over the orientation. Following their creation, the structures are subsequently subjected to finite element analysis using the ParOSol software, aimed at ascertaining their elastic properties and fracture resistance with respect to their imposed preferential orientation. Following optimization phases in specimen generation and computational analyses, a subset of specimens has been selected for 3D printing via stereolithography and subsequent evaluation through compression testing, thus validating the computational outcomes.

Nel presente lavoro vengono descritte le fasi che hanno portato alla creazione di uno scaffold a porosità irregolare destinato alla rigenerazione del tessuto osseo trabecolare. La microstruttura degli scaffold è stata ottenuta a partire dalla tassellazione di Voronoi. Il programma sviluppato durante questo studio permette un controllo accurato della porosità della struttura e dell'orientamento preferenziale delle trabecole al suo interno. Ciò consente di manipolare le proprietà meccaniche e il grado di anisotropia delle strutture generate. Le strutture così ottenute sono state successivamente sottoposte a un'analisi tramite elementi finiti utilizzando il software ParOSol, al fine di determinarne le proprietà elastiche e la resistenza a frattura, in relazione alla loro frazione volumetrica e all'orientamento preferenziale. Dopo le fasi di ottimizzazione nella generazione dei campioni e le analisi computazionali, una selezione di campioni è stata destinata alla stampa tridimensionale tramite stereolitografia e alla successiva valutazione tramite test di compressione, al fine di convalidare i risultati ottenuti dalle simulazioni computazionali.