Characterization of a shape memory polyurethane for tissue engineering applications

Shape memory polymers (SMPs) are materials able to recover large deformations in response to changes in the surrounding environment. Thermo-activated SMPs are promising materials for fabrication of scaffolds for tissue engineering, devices that can be implanted in a compact deformed form via minimally invasive surgery and able to recover the permanent shape at body temperature. This Master thesis aims to characterize a commercial shape memory polyurethane (MM3520) and to investigate the feasibility to fabricate 3D porous scaffolds by Fused Deposition Modelling (FDM). In fact FDM allows to fabricate SMPU 3D scaffolds with good control of the geometric parameters and porosity. The transition temperature (Ttrans), determined by dynamic mechanical analysis (DMA) and confirmed by tensile tests, proved that the body temperature can be used as activation stimulus for the MM3520 shape recovery. The SMPU 2D films showed shape recovery rate about 64% in thermo-mechanical tensile tests at the first cycle, performed at constant heating rate. 3D porous scaffolds obtained by FDM were characterized by compression tests at 25 and 55°C. 3D structures mechanical properties have to be deeply investigated in future. Human MSCs were seeded and cultured on 2D films and 3D porous scaffold obtained by FDM, revealing that the MM3520 allows cell adhesion and proliferation, if previously surface modified. Cells are known to be sensible to changes in the surrounding environments, shape memory effect can be thought to be used as mechanical stimulus to induce a specific behavior in the cells. In this Master thesis the survival of hMSCs to the recovery of the shape of scaffolds was proved.

I polimeri a memoria di forma (SMPs) sono materiali capaci di recuperare notevoli deformazioni in risposta a cambiamenti nell’ambiante che li circonda. SMP ad attivazione termica sono materiali promettenti per la fabbricazione di scaffols in ingegneria dei tessuti, per la produzione di dispositivi capaci di essere impiantati mediante chirurgia mini-invasiva per poi recuperare la forma originaria a temperatura corporea. Lo scopo di questo lavoro di tesi è caratterizzare un poliuretano a memoria di forma attualmente in commercio (MM3520) e esaminare la fattibilità nel fabbicare scaffold 3D porosi mediante Fused Deposition Modelling (FDM). Infatti la FDM permette di fabbricare scaffold 3D con SMPU con un buon controllo dei parametri geometrici e della porosità. La temperatura di transizione (Ttrans) è stata determinata tramite un’analisi dinamico-meccanica (DMA) e confermata tramite prove a trazione, dimostrando che la temperatura corporea può essere usata come stimolo di attivazione per il recupero della forma permanente del MM3520. I film 2D in SMPU mostrano un recupero della forma di circa il 64%, valore ottenuto tramite un test termo-meccanico a trazione a un ciclo. Scaffold 3D ottenuti tramite FDM sono stati caratterizzati con prove di compressione a 25 e 55°C. Le proprietà meccaniche delle strutture 3D dovranno essere analizzate più apporfonditamente in futuro. Cellule mesenchimali umane (hMSCs) sono state poste in coltura su film 2D e scaffold 3D porosi ottenuti per FDM, rivelando che l’MM3520 permette adesione e proliferazione cellulare, se precedentemente trattato superficialmente. Essendo risaputo che le cellule sono sensibili a cambiementi delle condizioni dell’ambiente di impianto, il recupero della forma permanente di un SMP potrebbe essere usato come stimolo meccanico per indurre le cellule a un comportamento specifico. In questo lavoro di tesi è dimostrato come hMSCs possano sopravvivere a recupero della forma su scaffold in SMPU.