Light-based 3D printing of thiol-ene photo-crosslinkable radiodense poly(E-caprolactone) for biomedical applications

To address the significant need for the development of biodegradable polymers in hard (non-)load bearing tissue engineering applications, this thesis work investigates the properties of thiol-ene photo-crosslinked radiodense alkene-functionalized tetrafunctional-PCL (E-PCL(4)) in order to control the material biodegradability, mechanical, thermal and rheological properties and behaviour in vivo due to the incorporation of 5-acrylomido-2,4,6-triiodoisophthalic acid (AATIPA) as contrast agent (CA). Different concentrations of E-PCL(4) are analysed, and physico-chemical characterizations (thermal, mechanical and rheological properties and photo-kinetics) are performed in order to study the influence of E-PCL(4)’s concentration and the influence of CA on thiol-ene photo-crosslinked E-PCL(4)’s characteristics. Moreover, thiol-ene photo-crosslinked E-PCL(4) is examined to demonstrate the improved characteristics respect to the actual gold standard, based on the functionalization with (meth)acrylate-functionalities to render PCL photo-crosslinkable. Additionally, with the aim of obtaining a 3D scaffold for TE applications, the developed material is exploited in volumetric 3D printing to investigate its printability in order to obtain patient-specific implants with controlled porosity, ensuring an excellent interaction with cells to restore the tissue defect. The printability is investigated varying the concentration of E-PCL(4), photo-initiator, and radical scavenger. Finally, in vitro biological characterization of 3D-printed scaffolds is performed to assess the cytotoxicity and cytocompatibility of porous structures. Moreover, the effectiveness of the CA’s introduction is analysed in order to highlight the innovative characteristic of thiol-ene photo-crosslinked radiodense E-PCL(4).

Per affrontare la necessità di sviluppare polimeri biodegradabili per applicazioni di ingegneria tissutale in tessuti duri, questo lavoro di tesi studia le proprietà del policaprolattone tetrafunzionale funzionalizzato con alcheni (E-PCL(4)) al fine di controllare la biodegradabilità del materiale, le proprietà meccaniche, termiche e reologiche e il comportamento in vivo grazie all'incorporazione dell'acido 5-acrilammido-2,4,6-triiodoisofalico (AATIPA) come agente di contrasto (CA). Diverse concentrazioni di E-PCL(4) sono analizzate e caratterizzazioni fisico-chimiche (proprietà termiche, meccaniche e reologiche e foto-cinetiche) sono eseguite per studiare l'influenza della concentrazione di E-PCL(4) e l'influenza del CA sulle caratteristiche del network foto-reticolato con tiolo-ene. Inoltre, E-PCL(4) foto-reticolato con tiolo-ene viene esaminato per dimostrare le caratteristiche migliorate rispetto allo standard attuale, basato sulla funzionalizzazione con (met)acrilati per rendere il PCL foto-reticolabile. Inoltre, con l'obiettivo di ottenere una struttura tridimensionale (scaffold) per applicazioni di ingegneria tissutale, il materiale sviluppato viene utilizzato nella stampa 3D volumetrica per investigare la sua stampabilità al fine di ottenere impianti specifici per il paziente con porosità controllata, assicurando un'eccellente interazione con le cellule per ripristinare il difetto tissutale. La stampabilità è investigata variando la concentrazione di E-PCL(4), foto-iniziatore e scavenger radicalico. Infine, viene eseguita la caratterizzazione biologica in vitro degli scaffold stampati in 3D per valutare la citotossicità e la citocompatibilità delle strutture porose. Inoltre, viene analizzata l'efficacia dell'introduzione del CA per evidenziare la caratteristica innovativa di E-PCL(4) radiodenso foto-reticolato con tiolo-ene.