Extrusion-based 3D printing of 3YSZ–calcium phosphate composite scaffolds

Lo scheletro umano è un prodigio di ingegneria, capace di bilanciare la necessità di essere abbastanza forte da sostenere il nostro peso con quella di essere abbastanza leggero da permetterci di muoverci. Quando l'osso viene perso a causa di infortuni o malattie, i medici ricorrono spesso agli impianti per sostituirlo. Per decenni, i migliori materiali per queste sostituzioni sono stati i metalli come il titanio o le ceramiche come la zirconia, scelti per la loro incredibile resistenza e la capacità di sopravvivere all'interno del corpo senza corrodersi. Tuttavia, questi materiali presentano un significativo svantaggio: sono molto più densi e rigidi dell'osso naturale. Questo disallineamento può indebolire l'osso circostante nel tempo, proprio come uno stivale pesante che schiaccia il terreno morbido sottostante. D'altro canto, i materiali che imitano la composizione chimica dell'osso, come il fosfato di calcio, sono eccellenti nel favorire la crescita di nuovo tessuto, ma sono spesso troppo fragili per sopportare carichi pesanti. La sfida per gli scienziati è stata quella di creare un materiale che fosse sia abbastanza forte da sostenere il peso sia abbastanza leggero da corrispondere all'osso che sostituisce, il tutto pur potendo essere modellato in strutture complesse che si adattino all'anatomia unica di un paziente.

Un team di ricercatori della NOVA University Lisbon e dell'Università di Lisbona ha compiuto un passo verso la risoluzione di questo problema sviluppando un nuovo tipo di composito ceramico utilizzando una tecnica chiamata stampa 3D basata su estrusione. Invece di cercare di stampare un singolo materiale, hanno mescolato due componenti distinti in un inchiostro denso, simile a una pasta. Il primo componente era la 3YSZ, una forma di zirconia resistente e stabilizzata termicamente, nota per la sua durabilità nelle applicazioni dentali e mediche. Il secondo era il fosfato di calcio, una sostanza chimicamente simile al minerale presente nei denti e nelle ossa umane, noto per aiutare il corpo a integrarsi con un impianto. Stampando queste paste strato dopo strato e poi cuocendole in un forno ad alta temperatura, il team ha creato strutture cilindriche che combinavano la forza della zirconia con la natura biocompatibile del fosfato di calcio.

I ricercatori hanno scoperto che l'aggiunta del fosfato di calcio alla pasta di zirconia aveva un effetto profondo sul prodotto finale. Le ceramiche di pura zirconia sono estremamente dense, con un peso superiore a 3,5 grammi per centimetro cubo, molto più pesante dell'osso naturale. Tuttavia, incorporando tra il 30 e il 45 percento di fosfato di calcio nella miscela, il team è riuscito a ridurre la densità degli oggetti stampati a un intervallo compreso tra 2,2 e 2,5 grammi per centimetto cubo. Questa nuova densità è straordinariamente vicina a quella dell'osso corticale naturale, risolvendo efficacemente il problema del peso senza sacrificare l'integrità strutturale del materiale. Per garantire che il materiale potesse essere stampato fluidamente, il team ha anche testato l'aggiunta di grafite alla miscela, che ha agito come un segnaposto temporaneo che bruciava durante il processo di riscaldamento, lasciando dietro di sé minuscoli pori che hanno ulteriormente ridotto il peso.

Oltre a cambiare il peso, il team ha esaminato attentamente cosa accadeva ai materiali a livello microscopico durante il riscaldamento. Hanno scoperto che la zirconia manteneva la sua struttura cristallina più forte e stabile anche dopo essere stata cotta a temperature fino a 1450 gradi Celsius. Allo stesso tempo, il fosfato di calcio si trasformava in fasi specifiche note come idrossiapatite e beta-tricalcio fosfato, che sono esattamente i minerali che il corpo utilizza per costruire nuovo osso. Questa struttura a doppia fase significava che l'oggetto finale non era solo una miscela di due polveri, ma un materiale coeso in cui la resistente zirconia forniva uno scheletro a cui il fosfato di calcio bioattivo poteva aggrapparsi. I ricercatori hanno confermato questi cambiamenti utilizzando tecniche avanzate di imaging e di diffusione della luce, verificando che il materiale rimanesse stabile e non si degradasse in forme più deboli durante il processo di produzione.

La vera prova di un materiale di sostituzione ossea è se possa resistere alle forze fisiche del corpo e se le cellule viventi lo accetteranno. Quando i ricercatori hanno testato la resistenza dei loro campioni migliori, che contenevano il 35 percento di fosfato di calcio, hanno scoperto che potevano resistere a una forza di compressione di 180 megapascal. Questo livello di forza rientra pienamente nell'intervallo dell'osso umano naturale, dimostrando che il materiale è abbastanza robusto per applicazioni di carico. Inoltre, quando hanno posto delle cellule fibroblasti umani, un tipo di cellula del tessuto molle, sui dischi stampati, le cellule sono cresciute e sono prosperate proprio come avveniva su normali piastre di plastica da laboratorio. Ciò suggerisce che il materiale non è tossico per i tessuti viventi e fornisce una superficie amichevole a cui le cellule possono attaccarsi, un primo passo cruciale per qualsiasi impianto che speri di integrarsi con il corpo.

Sebbene i risultati siano promettenti, i ricercatori osservano che questo è un passo preliminare. I campioni che hanno creato erano cilindri solidi, mentre gli scaffold ossei reali devono spesso essere cavi o riempiti con una rete di fori per consentire la crescita dei vasi sanguigni attraverso di essi. Hanno anche osservato che i campioni con quantità molto elevate di fosfato di calcio diventavano troppo fragili da maneggiare, indicando che esiste un limite a quanto materiale simile all'osso può essere aggiunto prima che la struttura perda la sua forza. Il team ha concluso che il loro metodo ha creato con successo un composito ceramico leggero, resistente e biologicamente amichevole, ma il lavoro futuro dovrà concentrarsi sul perfezionamento dell'architettura interna di queste strutture e sul test con cellule formatrici di osso e in animali viventi per vedere se possono realmente rigenerare l'osso in un contesto clinico.