Printability assessment and mechanical characterization of a HA/PLA composite material for maxillofacial and oral application

Maxillofacial and oral surgery is a branch of medicine that focuses on the treatment of diseases that affects mouth, jaws and face. Two of the main surgical procedures performed by oral surgeons are guided bone regeneration and maxillofacial bone fixation. In guided bone regeneration a membrane is used to separate a bone graft from the soft tissues around, with the aim of bone regeneration. Maxillofacial bone fixation employs plates to immobilize bone segments that were separated by trauma or in the context of orthognathic surgery. In both procedures, titanium is the gold standard material for the membrane and the plates, due to its high strength and osteoconductivity. However, it presents the main issue of needing a removal surgery when the bone underneath is regenerated. For this reason, bioresorbable materials have been studied as a possible alternative to titanium. In this work, a composite material made with polylactic acid (PLA), and hydroxyapatite (HA) is proposed. PLA serves as the bioresorbable polymeric matrix and HA improves the interaction between the implant and the bone due to its osteoconductivity and promotes bone regeneration. PLA is also one of the most employed materials in additive manufacturing, especially in fused deposition modelling (FDM), which offers the possibility of printing patient-specific devices. Different specimens were designed to analyse the accuracy of FDM when printing objects with this composite material with different HA content and process parameters. To observe the influence of these elements, a confocal microscope was used to measure printing accuracy. The mechanical properties of the material were also characterized by three-point bending test in which specimens printed with different HA percentages were analysed. The results showed that the presence of HA increases the elastic flexural modulus of the material at the cost of reducing its strength, suggesting that a lower ceramic content could be the best choice to improve osteoconductivity without reducing excessively the strength of the material. Lastly, some prototypes of membranes and plates were printed to analyse the feasibility of printing custom-made implants.

La chirurgia maxillo-facciale e orale è una branca della medicina che si concentra sul trattamento di patologie che colpiscono bocca, mascella e viso. Due tra le principali procedure chirurgiche sono la rigenerazione ossea guidata e la fissazione ossea. Nella rigenerazione ossea guidata si utilizza una membrana per separare un innesto osseo dai tessuti circostanti, con l'obiettivo di rigenerare l'osso. La fissazione ossea impiega placche per immobilizzare segmenti ossei fratturati o separati nella chirurgia ortognatica. In entrambe le procedure, il titanio è il materiale standard per la membrana e le placche, grazie alla sua elevata resistenza e osteoconduttività. Tuttavia, presenta il problema di richiedere un intervento di rimozione quando l'osso sottostante è rigenerato. Per questo motivo, sono stati studiati materiali bio-riassorbibili come possibile alternativa. In questo lavoro viene proposto un materiale composito realizzato con polilattato (PLA) e idrossiapatite (HA). Il PLA funge da matrice polimerica bio-riassorbibile e HA migliora l'interazione tra impianto-osso grazie alla sua osteoconduttività e promuove la rigenerazione ossea. Il PLA è un materiale utilizzato nella modellazione a deposizione fusa (FDM), tecnica di stampa 3D che permette di produrre dispositivi paziente-specifici. Sono stati progettati diversi campioni per analizzare l'accuratezza della stampa FDM di oggetti con questo materiale composito con diversi contenuti di HA e parametri di processo. Un microscopio confocale è stato utilizzato per osservare l'influenza di questi aspetti sull’accuratezza di stampa. Le proprietà meccaniche del materiale sono state caratterizzate tramite test di flessione a tre punti in cui sono stati analizzati campioni con diverse percentuali di HA. I risultati hanno mostrato che la presenza di HA aumenta il modulo elastico a flessione del materiale a costo di ridurne la resistenza, suggerendo che un contenuto ridotto di HA potrebbe migliorare l'osteoconduttività del materiale senza ridurne eccessivamente la resistenza. Infine, sono stati stampati alcuni prototipi di membrane e placche per analizzare la fattibilità della stampa di impianti personalizzati.