I biomateriali metallici porosi si affidano ai processi di produzione additiva per strutture sostitutive di rigenerazione ossea
In ‘ biomateriali metallici porosi fabbricati in maniera addittiva,’ Amir A. Zadpoor esplora i biomateriali metallici porosi nella ricerca per la rigenerazione del tessuto osseo, che parlano di elementi quali la progettazione, fabbricazione e bio-funzionalizzazione-oltre ad esaminare l’angolo ‘materiale progettista’.
La rigenerazione ossea è stata storicamente un’area estremamente impegnativa, anche con l’avvento della bioprinting e l’uso di strutture reticolari create con cellule umane. In questo studio, Zadpoor esamina i biomateriali metallici porosi creati attraverso la produzione additiva, insieme a problemi quali la scarsa crescita, l’osteointegrazione e la mancanza di rigenerazione. Zadpoor vede il potenziale per una migliore bioprinting per la rigenerazione ossea con l’uso di biomateriali metallici porosi.
L’autore considera lungamente il disegno razionale in termini di:
Teorie della meccanica e della fisica
Modelli computazionali
Soluzioni analitiche
Ragionamento fisico
Poiché le progettazioni topologiche possono essere così complesse, gli utenti potrebbero non essere in grado di produrle attraverso metodi tradizionali e potrebbero dover invece appoggiarsi a processi di produzione additiva.
“La fabbricazione di strutture reticolari topologicamente ordinate è una delle aree in cui AM è l’unica opzione fattibile e in cui gli approcci di progettazione razionale potrebbero svolgere un ruolo importante nella progettazione topologica dei materiali”, afferma l’autore. “È importante rendersi conto che non è necessario che il tipo e le dimensioni della cella unitaria rimangano gli stessi in tutto l’impianto, poiché i progetti graduati potrebbero offrire ulteriore libertà nel soddisfare gli obiettivi di progettazione, in particolare quando si cerca di soddisfare gli obiettivi in competizione”.
Con tale responsabilità attribuita ai ricercatori per perfezionare le tecniche di produzione additiva per la fabbricazione di sostituti ossei, devono prendere in considerazione requisiti di progettazione completi, dopodiché, numerose tecniche possono essere utilizzate per creare le migliori strutture.
“Esiste, quindi, la necessità di modelli predittivi che stabiliscano la ‘relazione topologia-proprietà’ e una procedura di ottimizzazione che utilizza la ‘relazione topologia-proprietà’ per determinare il progetto topologico che soddisfa i requisiti di progettazione”, afferma Zadpoor.
Nella maggior parte dei casi, sono state utilizzate celle unitarie basate su beam o su foglio e Zadpoor afferma che esiste il potenziale per combinare i due nel design, ma finora non c’è stata molta ricerca in quell’area.
Le celle delle unità basate sui raggi potrebbero essere molto diverse nella geometria ma di solito sono un tipo di poliedro.
“L’altro importante tipo di variazione nella progettazione delle celle unitarie è la variazione spaziale del tipo o delle dimensioni della cella dell’unità ripetitiva in modo da ottenere proprietà diverse in diverse regioni dell’impianto, soddisfacendo in tal modo requisiti di progettazione in competizione o creando nuove funzionalità avanzate. Questi tipi di design sono chiamati “strutture a gradiente” o “(funzionalmente) strutture graduate”, afferma Zadpoor.
È anche previsto che migliori soluzioni e migliori algoritmi verranno creati nella progettazione topologica. Zadpoor sottolinea che anche altri fattori dovrebbero essere rivisti in relazione alla progettazione topologica e alle proprietà variabili, per includere:
Progettazione di biomateriali porosi AM e loro proprietà meccaniche quasi statiche
Progettazione topologica e comportamento a fatica
Design topologico e proprietà di trasporto di massa
Progettazione topologica e infezioni associate all’impianto
I ricercatori devono anche scegliere i parametri corretti per il successo nelle strutture a traliccio della stampa 3D, con l’uso di strutture di supporto minimizzate il più possibile, “in particolare all’interno del volume del biomateriale poroso”.
“Indipendentemente dal livello disponibile di supporto meccanico, gli sbalzi il cui angolo rispetto al letto di polvere è inferiore ad una certa soglia o la cui lunghezza è superiore ad una certa soglia richiederà strutture di supporto”, afferma Zadpoor. “Sebbene le soglie esatte dipendano da più parametri di elaborazione, tra cui l’entità della compattazione, la forza e il tipo di materiale, le sporgenze con angoli inferiori a 45 gradi di solito richiedono strutture di supporto.
Ci sono anche molti altri parametri da considerare, come i poteri, e sia la velocità che il modello di scansione. Zadpoor è fiducioso nel potenziale offerto dai biomateriali metallici porosi AM perché possiedono le proprietà meccaniche necessarie, insieme al seguente:
Campi adatti delle proprietà di trasporto di massa
Le curvature superficiali favoriscono la rigenerazione dei tessuti
Biodegradabilità regolabile
Grandi superfici per la bio-funzionalizzazione
Grandi spazi porosi
“Una caratteristica sempre presente in tutte le proprietà sopra menzionate è che potrebbero essere regolate attraverso la progettazione topologica razionale dei biomateriali. Ciò rende i biomateriali porosi AM altamente regolabili e offre loro molta flessibilità per soddisfare i molteplici obiettivi di progettazione richiesti per il corretto funzionamento dei sostituti ossei e degli impianti ortopedici “, afferma Zadpoor.
