Bone-inspired lattice structures produced by additive manufacturing: from human bone assessment to lattice structures designs for biomedical applications

The ageing global population has significantly increased the prevalence of bone-related diseases, particularly osteoporosis. This trend brings huge economic and clinical burdens on healthcare systems, necessitating advanced solutions in orthopaedic prostheses to treat the more frequent bone fractures. Current prosthetic designs present challenges in achieving effective long-term osseointegration and mitigating the stress-shielding phenomenon which may lead to implant failure. Stress-shielding, caused by the stiffness mismatch between metallic implants and bone, leads to bone deterioration and implant loosening, especially in patients with compromised bone quality, such as osteoporotic ones. Recent advances in Additive Manufacturing (AM) have enabled the development of orthopaedic implants with tailored mechanical and biological properties. AM technologies, such as Laser Powder Bed Fusion (LPBF), facilitate the fabrication of complex lattice structures that closely mimic natural bone's hierarchical and stochastic arrangements. These structures improve load sharing, reduce stiffness mismatch, and promote osseointegration by providing a favourable environment for bone tissue ingrowth: these latest biological results are already consolidated in the literature. Unlike conventional machining, AM produces inherently rough surfaces that enhance osteoblast proliferation, promoting osseointegration and long-term implant stabilisation. This doctoral research focuses on assessing the human bone mesoscale arrangements and on designing and mechanically characterising bone-inspired lattice structures realized in LPBF and which may be promising for medical devices. Key activities include: (i) Quantitative Assessment of Bone Architecture: Morphometric analyses of healthy and osteoporotic bone reveal critical structural differences, providing also a foundation for designing bone-inspired lattice structures. (ii) Design of Stochastic Uniform and Functionally Graded Lattice Structures: Inspired by human bone, Voronoi-based designs with gradient porosities are fabricated using AM. These structures replicate the irregular structural pattern of bone both with constant thickness struts and the cortical-to-trabecular transition observed in natural bone. (iii) Mechanical Characterization and Functional Evaluation of AM components: Experimental and computational analyses demonstrate the possibility of tailoring the porosity, the stiffness and the energy absorption performances in the studied AMed lattice structures. Functional performances and primary stability in AMed medical screws with embedded different sectors of scaled uniform Voronoi lattice-based structure are investigated. Key findings indicate that stochastic, gradient lattice configurations effectively balance implant stiffness with bone integration, reducing stress-shielding and likely enhancing long-term durability. The incorporation of these structures into AMed medical devices, such as bone screws, underscores their translational potential. This research provides a comprehensive framework for advancing orthopaedic implant technology, bridging the gap between biological inspiration and engineering innovation. It highlights the role of AM in creating tailored solutions that address the evolving demands of an ageing population while improving patient outcomes.

L'incremento dell'età media della popolazione ha determinato un significativo aumento delle malattie ossee, tra cui l'osteoporosi. Tale tendenza impone un impatto considerevole sia dal punto di vista economico che clinico sul sistema sanitario, sottolineando la necessità di disporre di soluzioni ortopediche avanzate, comprese protesi in grado di trattare in modo efficace le fratture ossee sempre più frequenti. Il design delle protesi ortopediche attuali non sempre è ottimizzato per garantire una perfetta osteointegrazione a lungo termine, specie in pazienti anziani con ridotta qualità dell’osso, e per ridurre gli effetti negativi del fenomeno dello stress-shielding, che può portare al fallimento dell’impianto stesso. Lo stress-shielding è un fenomeno che si verifica a causa della differenza di rigidità tra l’impianto metallico e l’osso circostante, con il conseguente deterioramento del tessuto osseo e la mobilizzazione dell'impianto, in particolare nei pazienti con scarsa qualità dell'osso. I recenti progressi nell’Additive Manufacturing (AM), o stampa 3D, hanno favorito lo sviluppo di impianti ortopedici con proprietà meccaniche specifiche, in grado di rispondere a queste problematiche. Le tecnologie additive, come il processo Laser Powder Bed Fusion (LPBF), permettono la fabbricazione di strutture lattice complesse, che replicano la struttura gerarchica dell’osso e l’arrangiamento stocastico delle trabecole. Queste strutture migliorano la distribuzione del carico, riducono la differenza di rigidezza tra l'impianto metallico e l'osso e promuovono l'osteointegrazione, creando un ambiente favorevole alla crescita del tessuto osseo. A differenza dei metodi di lavorazione tradizionali, la stampa 3D genera superfici con una rugosità promettente in grado di stimolare la proliferazione delle cellule ossee, favorendo l’osteointegrazione e la stabilizzazione a lungo termine dell’impianto. Il presente lavoro di ricerca si concentra sulla valutazione dell’arrangiamento mesoscala dell’osso e sul design e la caratterizzazione meccanica di strutture simil-osso realizzate tramite LPBF, che si rivelano promettenti per dispositivi medicali. Le principali attività della ricerca includono: (i) Valutazione quantitativa dell'architettura ossea: un'analisi morfometrica di campioni di ossa umane osteoporotiche e sane ha evidenziato differenze strutturali critiche, fornendo indicazioni utili per la progettazione di strutture lattice con arrangiamento simil-osso. (ii) Progettazione di strutture lattice con arrangiamento stocastico e gradienti di spessore: ispirandosi alla struttura dell’osso, sono state progettati design trabecolari con arrangiamento Voronoi e con spessori costanti o gradienti di porosità e sono state fabbricate mediante stampa 3D. Queste strutture replicano il pattern irregolare dell'osso, con spessori costanti e gradienti di spessore che simulano la transizione cortico-trabecolare presente nell'osso naturale. (iii) Caratterizzazione meccanica e valutazione funzionale dei componenti AM: attraverso analisi sperimentali e computazionali, è stata verificata la possibilità di modulare la porosità, la stiffness e le capacità di assorbimento dell’energia in base alle specifiche esigenze progettuali. Infine, sono state progettate e realizzate tramite stampa 3D diverse tipologie di viti medicali, caratterizzate da distinti settori di strutture Voronoi simil-osso, per le quali sono state valutate le prestazioni funzionali e la stabilità primaria. I risultati principali evidenziano che l’impiego di strutture lattice con arrangiamento stocastico e gradiente di porosità riduce in maniera efficace la rigidità dell’impianto in contatto con l'osso, minimizzando il fenomeno dello stress-shielding e migliorando la stabilità a lungo termine. La stabilità a lungo termine dei design proposti nella tesi dovrà certamente essere confermata mediante valutazioni biologiche future: ciò nonostante, la letteratura presenta già ottimi risultati in termini di proliferazione ossea e osteointegrazione, esattamente in linea con quanto ipotizzato. L'integrazione di tali strutture trabecolari simil-osso in dispositivi medici realizzati tramite stampa 3D, come viti ossee, ne conferma il potenziale traslazionale. Questa ricerca fornisce un quadro di riferimento completo per la progettazione di impianti ortopedici avanzati. Il progetto di dottorato mette in luce il ruolo cruciale della stampa 3D nella creazione di soluzioni personalizzate che affrontano le problematiche derivanti dall'invecchiamento della popolazione, migliorando al contempo il trattamento dei pazienti.