Tecnologie di prototipazione rapida basate su process

Come è descritto in figura 1.4, la stereolitografia (SLA) è una tecnica di pro- totipazione rapida che utilizza polimeri fotoindurenti per realizzare struttu- re bioispirate; questa tecnica si basa sull’impiego di uno spot laser UV per trasformare un materiale polimerico liquido in materiale solido, costruendo strato dopo strato le diverse sezioni in cui viene suddiviso il prototipo da realizzare fino alla completa creazione di geometrie complesse. Il processo di creazione della struttura può avvenire secondo due configurazioni diverse: approccio bottom-up, in cui il laser scansiona la superficie per l’indurimento del materiale fotosensibile e approccio bottom-down in cui viene sfruttata la tecnologia DLP (digital light projection) che prevede un DMD (digital mirror devices) per indurire in modo selettivo un layer 2D completo in una sola volta. Poiché la parte microfabbricata ha bisogno di post elaborazione per ulteriore indurimento ed operazioni di finitura, e vi è una scelta limita- ta di biomateriali fotopolimerizzabili con caratteristiche di biodegradabilità e biocompatibilità, stabilità meccanica e altre proprietà richieste in TE, la stereofotografia inizialmente non ha trovato molto spazio in questo ambito. Comunque Cooke et al. recentemente hanno dimostrato la possibilità di uti- lizzare il processo SLA per costruire scaffold 3D realizzati in polipropilene fumarato, una resina biodegradabile e biocompatibile. Allo stesso modo, Sodian et al., sfruttando dati ottenuti da tomografia computerizata, hanno costruito scaffold customizzati per valvola cardiaca mediante mediante pro- cesso SLA e l’impiego di elastomeri termoplastici quali il PHOH and P4HB [18].

La SLA è già stata applicata per sviluppare scaffold porosi a base di idrogel; Yu et al. [19] hanno realizzato strutture 3D di idrossietil metacrila- to (HEMA) seguito da essiccazione e successiva reidratazione per consentire l’adesione cellulare. Inizialmente, la procedura è stata applicata per creare strutture 2D, tuttavia, in seguito più strati sono stati sovrapposti per gene- rare scaffold 3D. Molti altri gruppi di ricerca anche selezionato il PEG-DA (polietilenglicole diacrilato), come materiale di partenza per costruire strut- ture biospirate mendiante la tecnologia stereolitografica. Yasar et al. [20] hanno realizzato con successo scaffold con architettura complessa e una ri- soluzione di 100 mm. Purtroppo lo swelling del PEG-DA non consente di ottenere risultati migliori in termini di risoluzione, se non in presenza di as- sorbitori UV che impediscono la riflessione della luce UV all’interno soluzione polimerica. Oltre ai polimeri sintetici, fotopolomeri a base acido ialuronico (HA) sono già stati stampati con la tecnologia in questione [21].

In questa categoria di tecnologie di RP è inserita anche quella definita come Selective Laser Sintering (SLS): è un processo addtivo molto simile alla SLA che invece di utilizzare una resina liquida fa uso di polveri; il laser que- sta volta andrà a colpire la superficie della polvere, nei punti colpiti andrà a fondere la polvere la quale si solidificherà formando cosi il modello solido, strato dopo strato. Questa è il processo che viene preferibilmente utilizzato in TE per ralizzare processo per la produzione e matrici porose in materiale ceramico porosa adatto per la rigenerazione del osseo, come dimostrato da Vail et al [23]. Questo gruppo di autori ha sinterizzato miscela di PEEK- HA ottenendo scaffold caratterizzati da un buon compromesso tra proprietà meccaniche e bioattività [24]. Tra tutte le tecnologie, che depongono ener- gia luminosa in pattern predefiniti specifici, l’SLS è l’unica non adatta per trattare idrogel, però si trattare un’altra ampia gamma di materiali senza la necessità di utilizzare strutture di supporto.

Per finire, è possibile inserire in questa categoria anche la tecnologia nota come Solid Ground Curing che si basa sulla generazione dei vari strati di una struttura 3D sfruttando l’esposizione di fotopolimero liquido ad una lampada UV attraverso l’uso di opportune maschere. L’applicazione della tecnologia SGC in TE è dovuta alla sintesi di polimeri opportunamente modificati per essere sottopoti a gelificazione fotochimica. Recensioni recenti riassumono la chimica e razionale per l’utilizzo di questi polimeri in ingegneria dei tes- suti per costurie scaffold [26]; come Spiegato da Nguyen et al., alcuni tipi di idrogel possono essere fotopolimerizzati in vivo ed in vitro in presenza di fotoiniziatori usando una luce UV. La fotopolimerizzazione è utilizzata per convertire un monomero liquido o macromero in un idrogel per polimerizza- zione radicalica in modo facile e controllabile anche in condizioni fisiologiche [25].

Le caratteristiche fonadamentali delle tecnologie di protipazionerapida applicate alla TE descritte in questo paragrafo sono riportate in tabella 2.1 insieme a qualche esempio di struttura realizzata da vari gruppi di ricerca.

2.3.2 Tecnologie di prototipazione rapida basate su processi di estrusione

Una tecnologia appartenente a questa categoria è la Pressure Activated Mi- crosyringe (PAM), una tecnica di micro-fabbricazione disponibili per l’inge- gneria dei tessuti ideata al Centro Interdipartimentale di Ricerca E. Piaggio. Questa nuova metodologia di micro-fabbricazione utilizza un sistema mo- torizzato lungo gli assi ortogonale x-y-z per la movimentazione nello spazio di un sistema controllato in pressione per l’estrusione di materiale allo stato

Tecnologie di prototipazi one rapida basate su porces si di fotop olimerizza zione Materiali Risoluzione Sv an taggi Esempi SLA HEMA, PEG-D(M)A, A cido ialuronic o Metacrilato 10 m m materiale non bio compatibile [28] SLS PEEK-HA, Fosfato di cal cio, polimeri (PLA, PLGA, PCL ecc) 80-400 m m presenza di grani polimeri ci [27] SGC Chitosano e gelatin a oppurtunamen te mo dificati 30 m m materiale non bio compatibile [26] Tab ella 2.1: Tecnologie di prototip azione rapida basate su por cessi di fotop olimeriz zazione

liquido. Come tutte le tecniche di Prototipazione Rapida, anche PAM si basa su un sistema di fabbricazione CAD/CAM controllato. Per la realizzazione delle strutture si utilizza un microago in vetro, con diametro compreso tra 20-100 mm variabile in base al polimero da estrudere. L’ago è connesso ad un serbatoio fissato sull’asse z, e definisce la posizione di estrusione sul piano sottostante. Durante l’estrusione la posizione del serbatoio e dell’ago è man- tenuta costante sull’asse z, ed il piano x-y di deposizione viene controllato nella movimentazione per la definizione della topologia dello strato. Dopo la realizzazione del primo strato il punto di estrusione è sollevato lungo l’asse z di una distanza opportuna, definita in base ad alcuni parametri variabili (dipendenti sia dal materiale che dalla movimentazione). Il procedimento è ripetuto per tutti gli strati di deposizione necessari per completare il modello implementato. Questo sistema è stato progettato per l’estrusione di mate- riale polimerico in soluzione con un solvente altamente volatile, controllato in viscosità per consentire un’estrusione ottimale attraverso il microago in vetro. La risoluzione di questo metodo è su una scala cellulare, che è no- tevolmente elevata rispetto a quelle delle tecniche che verranno descritte in questo capitolo; per fare un esempio Vozzi et al. hanno sviluppato scaffold in PCL e PLLA con larghezza della linea di 20 mm. Anche idrogel sono stati processati con la il sistema di microfabbricazione PAM per la realizzazione di scaffold [22].

Un’altra importante rappresentante di questa classe di tecnologie RP è quella conosciuta come Fused Deposition Modelling (FDM); Le stampan- ti 3D a tecnologia FDM costruiscono le parti strato per strato scaldando il materiale termoplastico fino a portarlo a uno stato semi-liquido e infine espellendolo in base a percorsi controllati tramite computer attaverso appo- siti ugelli. L’FDM utilizza due materiali per eseguire un lavoro di stampa: il materiale di modellazione, che costituisce il pezzo finito, e il materiale di supporto, che funziona da suuporto. Al termine del processo, l’utente rimuove il materiale di supporto o lo dissolve in detergente e acqua, e la struttura è pronta per essere utilizzata. I ricercatori hanno dimostrato la fattibilità si utilizzare stampanti FDM per fabbricare direttamente scaffold funzionali alla TE. Zein et al hanno fabbricato scaffold in PCL con una strut- tura a nido d’ape [29]; mentre Samar et al hanno prodotto con successo una scaffold composito (PP-TCP) con dei pori di 160 mm e caratteristiche mec- caniche paragonabili a quelle di osso spugnoso naturale [30]. In un recente studio, mesenchimali umane cellule progenitrici sono state seminate su PCL e PCL-idrossiapatite (HA) scaffold ottenuti mediante FDM [31].

Gli svataggi della tecnica FDM includono la necessità rendere il materiale disponibile in filamenti, come di conseguenza l’FDM ha una gamma limitata

di materilai processabili, con quasi completa esclusione di polimeri naturali. Inoltre, il materiale depositato solidifica in filamenti densi, bloccando la for- mazione di microporosità, un fattore importante per la neovascolarizzazione e l’adesione cellulare. La risoluzione dell’ FDM è relativamente bassa, circa 250 mm. Infine la temperatura di funzionamento del sistema è troppo alto per incorporare biomolecole nella struttura, limitando in tal modo gli aspetti biomimetici.

Per superare queste limitazioni sono hanno favorito la nascita di diverse nuove tecniche. Si tratta di tecniche che eliminano la necessità di avere il materiale in filamenti o temperature di di funzionamento ridotte. Alcune varianti del Processo FDM includono la tecnica 3D fiber deposition e 3D Bioplotter.

Come è desccritto in figura 2.6. il processo di 3D fiber deposition prev- de un materiale in una forma di pellet o granuli che possono essere versati direttamente in una camera riscaldata, alla fine un estruso di polimero fu- so polimero viene depositato da una siringa applicando una pressione [32]. Woodfield et al. hanno fabbricato, mediante 3D fiber deposition, scaffold in PEGT-PBT per applicazioni in ingegneria tessutale articolare [33]; mentre Moroni et al. con hanno studiato proprietà meccaniche di scaffold realizzati con la tecnologia in questione ed un copolimero (PEOT-PBT), un eleastome- ro termoplastico che combina buone caratteristiche meccaniche con la facile lavorabilità.

Figura 2.6: Rappresentazione schematica della tecnologia 3D fiber deposition Un’altra variante della processo FDM è il 3D Bioplotter, visibile in figura 2.7; questo processo di microfabbricazione 3D è stata specificamente svilup- pato per la produzione di scaffolds per l’ingegneria dei tessuti mostrata da Landers e Mülhaupt nel 2000 [34] e sembra particolarmente adatto per pro- cessare idrogel. La costruzione di oggetti 3D avviene strato per strato dalla deposizione per mezzzo di un sistema di estrusione che muove in tre dimen- sioni, mentre il piano di deposizione rimane fermo. E ’possibile eseguire sia una deposzione continua di materiale, una erogazione discontinua di micro- punti. Il materiale viene deposto dall’estrusore applicando aria compressa (ugello pneumatico), o utilizzando un motore passo-passo. La chiave carat- teristica di questo processo è la capacità di stampare un materiale viscoso in un liquido (acquoso) con una densità media corrispondente. Poiché il riscal- damento del materiale utilizzato non è necessario, il sistema può elaborare biocomponenti termicamente sensibili, e persino le cellule. Le reazioni di polimerizzazione possono essere eseguite deponendo in un mezzo co-reattivo o due materiali da un ugello di miscelazione. Lo spessore del filamento de- posto può essere modulata variando viscosità del materiale, la velocità di deposizione, diametro della punta di deposizione, o la pressione applicata.

Figura 2.7: Schema del principio di funzioanmento del 3D Bioplotter Landers et al. hanno realizzato scaffold in idrogel con pori interconnessi caratterizzati da un diametro di 200-400 mm; le strutture ottenute con que- sta tecnica però sono caratterizzate superfici lisce, che non sono adatte per una buona adesione cellulare. Pertanto, recentemente, Kim et al [35] hanno modificato il sistema per il 3D Bioplotter agiungendo un trasduttore pie- zoelettrico (PZT) in modo tale da generare vibrazioni durante la stampa; in questo modo sono stati realizzati scaffold una superficie più ruvida che hanno mostrato una migliori risultati per quanto riguarda l’adesione cellulare.

Le caratteriastiche fonadamentali delle tecnologie di protipazionerapida applicate alla TE descritte in questo paragrafo sono riportate in tabella 2.2 insieme a qualche esempio di struttura realizzata da vari gruppi di ricerca.