Experimental characterization of FDM-printed PLA/HA biodegradable composites for maxillofacial and oral surgery

The use of biodegradable polymers, particularly in the field of oral and maxillofacial surgery, has become important for applications such as guided bone regeneration (GBR) membranes and internal fixation plates in orthognathic surgery. These materials are fundamental in such contexts, as they provide temporary support for bone healing, preventing stress shielding; they also degrade over time to avoid the need for a secondary surgical procedure, which is required for traditional materials such as titanium, the current gold standard. Among the most widely employed polymers, polylactic acid (PLA) stands out for its biocompatibility, and its incorporation with hydroxyapatite (HA) is known to promote osseointegration and to improve implant-bone interaction thanks to its osteoconductivity. 3D printing using fused deposition modelling (FDM) provides the creation of patient-specific devices, ensuring optimal adaptability and functionality. This study examines the in vitro degradation behavior of FDM-printed samples made of PLA and its composite with 20% hydroxyapatite particles by weight (PLA/20HA), immersed for 24 days in phosphate buffered saline (PBS) solution at 37°C to simulate the physiological environment during the initial post-implantation period. The objective is to analyze the effects of HA incorporation on the degradation process by evaluating the changes in mass, molecular weight and thermal properties of the samples. In addition, the mechanical properties were evaluated by three-point bending tests, examining the changes during immersion and the impact of HA incorporation. The results demonstrated that HA, being hydrophilic, promoted the absorption of water into the polymer matrix, but without facilitating hydrolytic degradation during the examined period. Furthermore, the addition of HA increased the flexural elastic modulus of the material but made it less resistant; however, during the immersion period, unlike PLA, PLA/20HA experienced a reduction in stiffness. The progressive decrease in mechanical properties could ensure adequate support and load transfer to the bone during the bone regeneration process.

L'uso di polimeri biodegradabili, in particolare nel campo della chirurgia orale e maxillo-facciale, è diventato sempre più importante per applicazioni quali membrane di rigenerazione ossea guidata (GBR) e placche per fissazione interna nella chirurgia ortognatica. Questi materiali sono fondamentali in tali contesti, poiché forniscono un supporto temporaneo per la guarigione ossea, prevenendo lo stress shielding; inoltre, si degradano nel tempo per evitare la necessità di una procedura chirurgica secondaria, richiesta invece per i materiali tradizionali come il titanio, attuale gold standard. Tra i polimeri più utilizzati, l'acido polilattico (PLA) si distingue per la sua biocompatibilità, e la sua incorporazione con l’idrossiapatite (HA) è nota per promuovere l’osteointegrazione e per migliorare l’interazione impianto-osso grazie alla sua osteoconduttività. La stampa 3D mediante modellazione a deposizione fusa (FDM) consente di creare dispositivi specifici per il paziente, garantendo adattabilità e funzionalità ottimali. Questo studio esamina il comportamento di degradazione in vitro di campioni, stampati con tecnica FDM in PLA e nel suo composito con 20% in peso di particelle di idrossiapatite (PLA/20HA), immersi per 24 giorni in soluzione salina tamponata con fosfato (PBS) a 37 °C per simulare l’ambiente fisiologico durante il periodo iniziale post-impianto. L'obiettivo principale è analizzare gli effetti dell'incorporazione di HA sul processo di degradazione, valutando le variazioni di massa, peso molecolare e proprietà termiche dei campioni. Inoltre, le proprietà meccaniche sono state valutate tramite test di flessione a tre punti, esaminando i cambiamenti durante l’immersione e l'impatto dell'incorporazione di HA. I risultati hanno mostrato che l’HA, essendo idrofila, ha favorito l’assorbimento di acqua nella matrice polimerica ma senza facilitare la degradazione idrolitica nel periodo esaminato. Inoltre, l’aggiunta di HA ha aumentato il modulo elastico flessionale del materiale ma lo ha reso meno resistente; tuttavia, nel periodo di immersione, a differenza del PLA, il PLA/20HA ha registrato una riduzione graduale della rigidità. La progressiva diminuzione delle proprietà meccaniche potrebbe garantire un supporto e un trasferimento di carico all’osso adeguati durante il processo di rigenerazione ossea.