Bio-inspired design and assessment of 3d printed personalized scaffolds for enhanced bone regeneration

Bone is essential for the mechanical functioning of the body, and bone metabolic disorders compromise the integrity of the structure. Osteoporosis, a disease that leads to microarchitecture deterioration of the bone, is indeed a socio-economic burden. This thesis project aims to address critical-size bone defects through scaffolding strategies. In the design of the scaffold, multiscale bio-inspired strategies have been considered. The meso-architecture mimics a simplified structure of a real bone sample, while for the microarchitecture, two different approaches are taken. The first type is a regular scaffold, with the positioning of the lacunae in a cubic lattice and the canaliculi that develop on the cubic side and the cubic face diagonals. The second type is a random scaffold, where the lacunae are randomly inserted in the structure. After designing the constructs, they are 3D printed using the two-photon polymerization technique, which allows for sub-micrometric definition. Some of the printed regular scaffolds have undergone a cellularization process, where osteoblasts have been seeded into the structures. Advanced synchrotron imaging, SRµCT, has been utilized to capture detailed microstructural data from the scaffolds due to the high resolution of this imaging technique. The process of analyzing the generated images is facilitated by a neural network trained to recognize the scaffold structure in the scans obtained from the synchrotron. This process permits to analyse the images through a Python code, that recognizes the area of the scaffold and calculates with a small approximation the volume. The results are then compared to the STL file. The non-cellularized scaffolds need to have their printing quality assessed, while the cellularized scaffolds need evaluation for the possible generation of bone matrix. While the former shows promising results, the latter still requires improvement. This is crucial for the future development of the project and to tangibly contribute to the growing field of tissue engineering.

Il tessuto osseo è essenziale per il funzionamento meccanico del corpo e i disturbi del metabolismo osseo ne compromettono l’integrità strutturale. L’osteoporosi, una malattia che porta al deterioramento della microarchitettura ossea, rappresenta un vero e proprio problema socio-economico. Il presente progetto di tesi mira al trattamento dei difetti ossei di dimensioni critiche tramite strategie di scaffolding. Per la progettazione dello scaffold si sono considerate strategie di bio-ispirazione alla multiscala. La meso architettura riproduce una struttura semplificata di un campione osseo reale, mentre per la microarchitettura vengono adottati due diversi approcci. Il primo consiste nel posizionamento ordinato delle lacune in un reticolo cubico e i canalicoli che si sviluppano lungo i lati e le diagonali delle facce del cubo. Nel secondo, invece, le lacune sono inserite in maniera randomica all’interno della struttura. Questi costrutti vengono stampati in 3D attraverso la tecnica di polimerizzazione a due fotoni, che permette di ottenere una definizione di stampa sub-micrometrica. Una parte degli scaffold regolari sono stati poi cellularizzati con osteoblasti. Per comprendere al meglio i dettagli degli scaffold è stata utilizzata una tecnica avanzata di imaging, la SRµCT, che consente di ottenere delle immagini a risoluzione elevata. L’addestramento di una rete neurale permette di analizzare le scansioni individuando la struttura dello scaffold. Questo processo permette di poter analizzare le slice attraverso un codice Python che riconosce l’area dello scaffold e calcola, con una piccola approssimazione, il volume di esso. I risultati vengono quindi confrontati con il file STL originali. Gli scaffold non cellularizzati permettono la alutazione della qualità di stampa, mentre quelli cellularizzati sono utilizzati per l’analisi della generazione di nuova matrice ossea. Mentre per il primo caso si ottengono risultati promettenti, per il secondo sono necessari ulteriori studi. Questo è cruciale per lo sviluppo futuro del progetto e per contribuire concretamente al campo in crescita dell’ingegneria dei tessuti.