Bioactive glass scaffolds injected with riboflavin-loaded cement

Critical-sized bone defects remain a major clinical challenge due to the limited intrinsic regenerative capacity of bone. Conventional treatments such as autografts and allografts are associated with significant limitations, including donor-site morbidity, limited tissue availability, risk of immune rejection, and potential disease transmission. Synthetic bone substitutes, while avoiding these issues, might have issues with that they may not degrade fully, may induce inflammation, may not react at an optimum rate, and more importantly are often associated with implant-related infections. Therefore, advanced biomaterial-based strategies are needed to enhance bone regeneration and prevent adverse reaction. In recent years, bone tissue engineering has emerged as a rapidly expanding field aimed at addressing these limitations through the integration of biomaterials science and additive manufacturing technologies. Three-dimensional printing, in particular, enables precise architectural control, allowing the fabrication of scaffolds that mimic the structural complexity of native bone. Among candidate materials, bioactive glasses have gained considerable attention due to their osteoconductive, osteoinductive, angiogenic, and biodegradable properties. Notably, 1393B20 bioactive glass overcomes some of the limitations of conventional silicate-based glasses, such as excessive crystallization during processing, while maintaining pro-osteogenic and pro-angiogenic potential. The main objective of this thesis was the processing and characterization of a 3D-printed scaffold based on 1393B20 bioactive glass, incorporating a riboflavin-loaded cement aimed at enhancing mechanical stability and promoting bone regeneration. The scaffolds were designed with a central hollow channel intended to host the injectable cement. They were fabricated via robocasting and subsequently sintered to ensure structural consolidation while preserving the predefined porous architecture. The injectable cement was formulated by combining 1393B20 bioactive glass powder with riboflavin and a chitosan solution, the latter employed as a biocompatible polymeric binder. This composite formulation was designed to improve cohesion within the scaffold structure while potentially introducing additional biological functionality through riboflavin incorporation. Following fabrication and sintering, the scaffolds were injected with the prepared cement to obtain a reinforced composite system. To evaluate the influence of the riboflavin-loaded cement, mechanical compression tests, in vitro dissolution studies in TRIS buffer solution, and cytocompatibility assessments using Live/Dead assays were performed. The mechanical characterization showed that cement-loaded scaffolds did not exhibit significant differences compared to non-injected scaffolds. Although the compressive strength values were within the typical range of trabecular bone, further optimization may be necessary to enhance mechanical performance. It should be noted that the limited sample size may have influenced the statistical robustness of the results. In vitro dissolution tests were conducted to investigate the degradation behavior and stability of the composite system through ICP-OES analysis. Cell viability assays demonstrated cytocompatibility after 24 hours of culture, indicating that the materials did not induce acute cytotoxic effects. Nevertheless, extended biological evaluations are needed to assess long-term cellular response, proliferation, and osteogenic differentiation. Overall, while the developed system shows promising preliminary results, further investigations are necessary to optimize material composition, improve mechanical properties, and validate its potential for future clinical applications in bone tissue engineering.

I difetti ossei di dimensioni critiche rappresentano ancora una grande sfida clinica a causa della limitata capacità rigenerativa intrinseca del tessuto osseo. I trattamenti convenzionali, come gli autoinnesti e gli allotrapianti, sono associati a significative limitazioni, tra cui morbilità del sito donatore, disponibilità limitata di tessuto, rischio di rigetto immunitario e potenziale trasmissione di malattie. I sostituti ossei sintetici, pur evitando tali problematiche, possono presentare criticità quali degradazione incompleta, induzione di infiammazione, cinetiche di riassorbimento non ottimali e, soprattutto, un rischio di infezioni correlate all’impianto. Pertanto, sono necessarie strategie avanzate basate su biomateriali per migliorare la rigenerazione ossea e prevenire reazioni avverse. Negli ultimi anni, l’ingegneria dei tessuti ossei è emersa come un campo in rapida espansione, volto ad affrontare tali limitazioni attraverso l’integrazione tra scienza dei biomateriali e tecnologie di manifattura additiva. La stampa tridimensionale, in particolare, consente un controllo architetturale preciso, permettendo la fabbricazione di scaffold in grado di mimare la complessità strutturale dell’osso nativo. Tra i materiali candidati, i vetri bioattivi hanno suscitato notevole interesse grazie alle loro proprietà osteoconduttive, osteoinduttive, angiogeniche e biodegradabili. In particolare, il vetro bioattivo 1393B20 supera alcune delle limitazioni dei vetri silicati convenzionali, come l’eccessiva cristallizzazione durante la lavorazione, mantenendo al contempo un potenziale pro-osteogenico e pro-angiogenico. L’obiettivo principale di questa tesi è stata la produzione e la caratterizzazione di uno scaffold stampato in 3D a base di vetro bioattivo 1393B20, incorporando un cemento caricato con riboflavina finalizzato a migliorare la stabilità meccanica e a promuovere la rigenerazione ossea. Gli scaffold sono stati progettati con un canale centrale cavo destinato ad accogliere il cemento iniettabile. Sono stati fabbricati mediante robocasting e successivamente sinterizzati per garantire il consolidamento strutturale preservando l’architettura porosa predefinita. Il cemento iniettabile è stato formulato combinando polvere di vetro bioattivo 1393B20 con riboflavina e una soluzione di chitosano, quest’ultima impiegata come legante polimerico biocompatibile. Questa formulazione composita è stata progettata per migliorare la coesione all’interno della struttura dello scaffold, introducendo potenzialmente anche una funzionalità biologica aggiuntiva attraverso l’incorporazione della riboflavina. Dopo la fabbricazione e la sinterizzazione, gli scaffold sono stati iniettati con il cemento preparato al fine di ottenere un sistema composito rinforzato. Per valutare l’influenza del cemento caricato con riboflavina, sono stati eseguiti test di compressione meccanica, studi di dissoluzione in vitro in soluzione TRIS e valutazioni di citocompatibilità mediante test Live/Dead. La caratterizzazione meccanica ha mostrato che gli scaffold caricati con cemento non presentavano differenze significative rispetto a quelli senza. Sebbene i valori di resistenza a compressione rientrassero nell’intervallo tipico dell’osso trabecolare, potrebbero essere necessarie ulteriori ottimizzazioni per migliorare le prestazioni meccaniche. Va sottolineato che il numero limitato di campioni potrebbe aver influenzato la robustezza statistica dei risultati. I test di dissoluzione in vitro sono stati condotti per studiare il comportamento di degradazione e la stabilità del sistema composito mediante analisi ICP-OES. Le analisi di citotossicità cellulare hanno dimostrato citocompatibilità dopo 24 ore di coltura, indicando che i materiali non inducevano effetti citotossici acuti. Tuttavia, sono necessarie valutazioni biologiche prolungate per analizzare la risposta cellulare a lungo termine, la proliferazione e la differenziazione osteogenica. Nel complesso, sebbene il sistema sviluppato mostri risultati preliminari promettenti, sono necessarie ulteriori indagini per ottimizzare la composizione del materiale, migliorare le proprietà meccaniche e validarne il potenziale per future applicazioni cliniche nell’ambito dell’ingegneria dei tessuti ossei.