Photocrosslinkable lattice scaffolds for breast tissue engineering: design, 3D printing, and characterization

Breast reconstruction after mastectomy remains a clinical challenge due to poor long-term integration and mechanical mismatch of silicone implants and autologous grafts. This study, conducted with Tensive under the supervision of Dr. Irini Gerges and Prof. Emanuela Jacchetti, presents a tissue engineered strategy for the design and development of photocrosslinkable lattice scaffolds that mimic the structural and mechanical properties of breast tissue, integrating material synthesis, mechanical modeling, and Light Crystal Display (LCD) 3D printing. Four photocrosslinkable polymers, poly(ε-caprolactone) methacrylate (PCL-M), gelatin methacrylate (GelMA), Poly (glycerol sebacate) methacrylate (PGS-M) and Poly(ethylene glycol) dimethacrylate (PEGDMA) were synthesized and characterized. High gel fractions (>87%) confirmed photocuring efficiency, while bulk mechanical tests showed Young’s Modulus ranging from 0.27 ± 0.07 MPa (20 wt/v% GelMA) to 8.66 ± 0.85 MPa (100wt/v% PEGDMA), showing tunability suitable for soft tissues. To link material and scaffold architecture, the Gibson–Ashby model was experimentally adjusted using Body Centered Cubic (BCC) lattices, enabling the prediction of bulk stiffness ranges within the range of breast adipose tissue (5–25 kPa) at porosities of 92% and 95%. For preliminary LCD 3D printing, a BCC desing (strut diameter = 0.5 mm, cell size = 3 mm, porosity = 92%) and PEGDMA based resins were selected for optimal viscosity (62 ± 2.83 mPas at 27°C). The influence of prepolymer ratio and photoinitiator/photoabsorber combinations (LAP/Tartrazine and TPO-L/Carminic Acid) was assessed. The resin with lower prepolymer content and LAP/Tartrazine produced scaffolds with a Young’s Modulus of 0.0185 ± 0.0042 MPa, within the physiological range of breast adipose tissue, with 98.9% dimensional accuracy. Finally, toxicity prediction of degradation products indicated low cytotoxicity and good biocompatibility. By integrating polymer synthesis, lattice design, predictive modeling, and LCD 3D printing, this work establishes a solid framework for the development of scaffolds for breast tissue engineering.

La ricostruzione mammaria post-mastectomia rimane una sfida clinica a causa della scarsa integrazione a lungo termine e dell’incompatibilità meccanica degli impianti in silicone e dei trapianti autologhi. Questo studio, condotto a Tensive sotto la supervisione della Dr.ssa Irini Gerges e Prof.ssa Emanuela Jacchetti, propone una strategia di ingegneria tissutale per la progettazione e sviluppo di scaffold a reticolo fotoreticolabile che imitano le proprietà strutturali e meccaniche del tessuto mammario, integrando sintesi dei materiali, modellazione meccanica e stampa 3D LCD. Sono stati sintetizzati e caratterizzati quattro polimeri fotoreticolabili: polimetilacrilato di poliglicerolo sebacato (PGS-M), polietilenglicole dimetacrilato (PEGDMA), gelatina metacrilata (GelMA) e policaprolattone metacrilato (PCL-M). Elevati valori di gel fraction (>87%) hanno confermato l’efficienza di fotoreticolazione, mentre i test meccanici hanno mostrato moduli di Young da 0.27 ± 0.07 MPa (20 wt/v% GelMA) a 8.66 ± 0.85 MPa (100 wt/v% PEGDMA). Per correlare materiale e architettura dello scaffold, il modello Gibson–Ashby è stato adattato sperimentalmente usando reticoli Body Centered Cubic (BCC), permettendo di predire intervalli di rigidità simili al tessuto adiposo mammario (5–25 kPa) a porosità del 92% e 95%. Per la stampa 3D LCD preliminare, è stato selezionato un reticolo BCC (diametro trave =0.5 mm, dimensione cella = 3 mm, porosità = 92%) e resine a base PEGDMA per viscosità ottimale (62 ± 2.83 mPas a 27°C). È stato valutato l’effetto del rapporto prepolimero e dei sistemi fotoiniziatore/fotassorbitore (LAP/Tartrazina e TPO-L/Acido Carminico). La resina con minor contenuto di prepolimero e LAP/Tartrazina ha prodotto scaffold con modulo di Young 0.0185 ± 0.0042 MPa, entro il range fisiologico del tessuto adiposo mammario, con precisione dimensionale del 98.9%. Infine, la previsione di tossicità dei prodotti di degradazione ha indicato bassa citotossicità e buona biocompatibilità. Integrando sintesi polimerica, progettazione dei reticoli, modelli predittivi e stampa 3D LCD, questo lavoro stabilisce un solido framework per lo sviluppo di scaffold per l’ingegneria del tessuto mammario.