Descrizione

L’attività in esame si prefigge lo sviluppo di materiali a struttura cellulare da impiegare in impianti protesici, in particolare per la gabbia metallica usata nella protesi spinale sviluppata nell'ambito del progetto REGENERA, un progetto di ampio spettro che riguarda la realizzazione di tessuti artificiali con caratteristiche rigenerative. Lo scopo principale di questi materiali è di adattare la rigidezza dell’impianto a quella del tessuto osseo circostante e di favorirne la crescita (osteointegrazione). Questi requisiti non sono completamente soddisfatti dagli impianti metallici attualmente a disposizione perché realizzati con struttura massiva e con materiali metallici di modulo elastico di gran lunga superiore a quello del tessuto osseo. Esiste già in letteratura una gran mole di lavori volti alla progettazione e realizzazione di materiali metallici a struttura cellulare, tuttavia pochi di essi affrontano il tema della resistenza a fatica. L’idea innovativa (Fig. 15a) alla base di questo progetto di ricerca prevede di progettare e realizzare materiali cellulari con le seguenti caratteristiche peculiari:

• “hierarchical”: la loro struttura è gerarchica nel senso che si compone di due strutture cellulari di diversa scala dimensionale (Fig. 15b): la prima struttura macroscopica, realizzata in materiale metallico biocompatibile in grado di garantire stabilità dimensionale nel tempo, svolge una funzione strutturale “portante” ed è progettata per adattare le proprietà elastiche a quelle del tessuto osseo e per massimizzarne la resistenza a fatica. Non svolgendo funzioni osseointegrative, la sua architettura è svincolata da requisiti biologici in modo da poterne scalare le dimensioni a livelli ai quali le attuali tecnologie produttive sono in grado di garantire un’adeguata accuratezza geometrica La seconda struttura invece, non dovendo sottostare a requisiti di natura strutturale, ha la funzione di fornire un’adeguata interfaccia all’ambiente biologico, guidando la crescita del tessuto osseo all’interno della protesi per favorirne l’osteointegrazione. Per questa funzione sia la composizione che la morfologia giocano un ruolo essenziale. Recentemente è stata messa a punto presso il dipartimento una tecnica per la realizzazione di strutture tridimensionali (scaffolds) con porosità modulabili mediante un processo di schiumatura mediante gas a partire da sospensioni polimeriche in acqua. La tecnica permette la realizzazione di schiume di polimeri di interesse per la rigenerazione del tessuto osseo (derivati del collagene o fibroina della seta) e permette una facile incorporazione di additivi inorganici (ad esempio idrossiapatite nanoparticellare), nonché la realizzazione di porosità di dimensioni ritenute ottimali per la rigenerazione ossea.

• “multifunctional”: la struttura gerarchica rende queste strutture multifunzionali, in quanto assolvono funzione sia portante sia di osteointegrazione, inoltre la struttura osteointegrativa di secondo livello potrebbe proteggere la prima dall’aggressione dell’ambiente esterno La quarta funzione, non ultima per importanza, è quella di essere intelligente, come di seguito spiegato.

• “smart”: un aspetto altamente innovativo di questo progetto è lo studio della possibilità di incorporare nella struttura polimerica di secondo livello di sensori distribuiti di pressione e/o deformazione con adeguate capacità di acquisizione e elaborazione dei dati realtime.

L’attività si colloca all’interno della macroattività 2, tecnologie di manifattura additiva, sviluppando una tecnologia che permetta di realizzare materiali con architettura cellulare con soddisfino requisiti contrastanti di integrità strutturale (resistenza a fatica) e di biocompatibilità. La tecnologia sviluppata ha permesso di identificare la dimensione minima stampabile dei dettagli geometrici della struttura metallica portante e di mettere a punto materiali polimerici porosi e tecniche di electrowetting per il loro incapsulamento nella struttura metallica primaria. I risultati delle prove meccaniche e analisi microstrutturali hanno permesso di evidenziare l'adesione della schiuma polimerica alla gabbia metallica e la trasmissione di carichi meccanici. Prove biologiche hanno evidenziato le proprietà osseoinduttive della schiuma polimerica.

Seminari e incontri

Workshop:

• Data e luogo: 18 Luglio 2019, ProM facility, Rovereto

• Chairmen: Matteo Benedetti, Massimo Pellizzari, Paolo Bosetti

• Titolo: Additive Manufacturing: The process chain, from designers to end- users

Invited Plenary Lecture:

• Data e luogo: 9 Settembre 2021, online

• Relatore: Matteo Benedetti

• Titolo: Fatigue of architected cellular materials: a design and manufacturing challenge

Acquisizione di risorse

• Proposte di finanziamento presentate:

  • PRIN 2018: Beyond Additive Manufacturing: grAded poRous Structures aimed at superior bio-Implant functionalities, from design and monitoring to biological characterization. Coordinatore Mario Guagliano (Politecnico Milano). Partners: UNITN, PoliMI, UNIPD, UNISALENTO. Non finanziato.

  • Euregio 2020: Hierarchical Implants of 3D-Printed lattice STructure for Enhanced Resistance and osseointegRation. Coordinatore Matteo Benedetti (Università di Trento). Partners: UNITN, UniBZ, Medical University Innsbruck. Non finanziato.