Bioresorbable scaffolds for orthopaedical nails and plates manufactured by conventional industrial processes

Orthopaedic implants have revolutionised healthcare, but permanent metal devices often come with challenges such as stress shielding, the need for implant removal surgeries, and the risk of inflammatory responses. This thesis explores a promising alternative that gradually dissolves in the body during bone healing, eliminating the need for future surgeries and supporting the patient's recovery. By using a zinc-magnesium (ZnMg) alloy and polylactic acid for their proven biocompatibility and suitable mechanical properties, this research aims to develop a composite implant that offers adequate mechanical properties and controllable degradation behaviour, representing a substantial advancement in the biodegradable orthopaedical devices field. To ensure this solution is suitable for large-scale medical use, the scaffold is manufactured using established industrial techniques such as metal infiltration casting, plastic deformation, and polymer infiltration. Key focus areas included ensuring the scaffolds were durable and mechanically resistant enough to support bone during the critical healing stages and designing them to dissolve in harmony with bone regeneration. A range of analyses were carried out to understand the material’s performance. Optical microscopy was used to investigate the internal structures of the scaffold, showing how the cast product is organised and how well PLA could infiltrate the metal porous scaffold. Mechanical tests evaluated the Young's modulus and the strength of the composites, giving a preliminary overview of their mechanical behaviour predictability. Chemical analyses allowed to analyse aspects of the device's biocompatibility, such as the capability of removing the space holder after casting and the presence of contaminants in the manufactured samples. Moreover, it was useful in determining the infiltration conditions and the polymer degradation. This research contributes to advancements in bioresorbable orthopaedic implants, offering a promising solution using multi-material composites to solve several issues of the current solutions studied in the literature. Studied bioresorbable composites can potentially enhance patient outcomes, simplify recovery and deliver substantial cost savings, representing a transformative approach to orthopaedic care.

Gli impianti ortopedici hanno trasformato la sanità, ma i dispositivi metallici permanenti sono spesso associati a criticità come lo stress shielding, la necessità di operazioni chirurgiche di rimozione dell'impianto e il rischio di risposte infiammatorie. Questa tesi esplora una promettente alternativa che si dissolve gradualmente nel corpo durante la guarigione ossea, eliminando la necessità di interventi successivi e supportando la ripresa del paziente. Lo studio sviluppa un impianto composito basato su una lega contenente zinco e magnesio (Zn-1.5Mg) e acido polilattico (PLA), materiali noti per la loro biocompatibilità e proprietà meccaniche promettenti. Questa soluzione si propone di offrire una resistenza adeguata e una degradazione controllabile, rappresentando un avanzamento significativo nell’ambito degli impianti ortopedici biodegradabili. Per assicurarne l’idoneità alla produzione su larga scala, il supporto è stato realizzato tramite tecniche industriali consolidate come la colata a infiltrazione metallica, la deformazione plastica e l’infiltrazione polimerica. Un’attenzione particolare è stata rivolta a garantire che il supporto mostrasse properietà meccaniche adatte al sostenimento del tessuto osseo durante le fasi critiche della guarigione e che possa dissolversi contemporaneamente alla rigenerazione dell’osso. È stato condotto un ampio spettro di analisi per valutare le prestazioni del materiale. La microscopia ottica ha permesso di osservare la struttura interna del supporto, mostrando come il prodotto sia organizzato e come il PLA si sia infiltrato nella matrice metallica porosa a seguito della procedura sperimentale. I test meccanici hanno esaminato il modulo di Young e la resistenza dei campioni prodotti, fornendo una prima indicazione sulle properietà e sulla prevedibilità del loro comportamento meccanico. Le analisi chimiche hanno contribuito a valutare la biocompatibilità del dispositivo, verificando la capacità di rimuovere lo space holder dopo la colata e individuando la presenza di eventuali contaminanti nei campioni realizzati. Inoltre, queste analisi sono risultate utili per definire le condizioni di infiltrazione e monitorare il processo di degradazione del polimero. Questa ricerca apporta un contributo significativo nel settore degli impianti ortopedici bioriassorbibili, presentando una soluzione innovativa che, attraverso compositi multimateriale, affronta diverse problematiche riscontrate nelle soluzioni attualmente studiate in letteratura. I compositi bioriassorbibili qui indagati possono migliorare gli esiti clinici, semplificare il percorso di guarigione e ridurre i costi, rappresentando un approccio trasformativo alla cura ortopedica.