Optimization of Biomanufacturing process for Tissue Engineering applications

In recent years, tissue engineering has experienced significant advancements, mostly driven by the emergence of additive manufacturing technologies and the integration of biomaterials and cells. This advanced technique enables the creation of intricate structures with diverse components and properties, specifically designed for use in biomedical applications. The primary benefit of this technology is its ability to be customised, which helps minimise post-operative difficulties for patients with orthopaedic diseases and those undergoing tissue transplants. For this purpose, the essential components can be synthesised by the patient's own cells. However, there are still other obstacles that need to be addressed in order to get satisfactory 3D printed structures. One key problem is the need to optimise the biomaterial to meet both biocompatibility and printability criteria. In addition, the production of scaffolds for tissue engineering is a complex procedure as it requires the built structures to closely mimic the extracellular matrix in order to create a functional tissue. The key goal is to produce 3D scaffolds composed of multiple-scale structures made of cell-loaded bioinks. The objective of this thesis is to create 3D scaffolds for tissue engineering applications using additive manufacturing technologies. In order to accomplish this, the selection of technology and material is of crucial significance. Therefore, it is essential to optimise both the printing technique and the selected biomaterial. The literature can assist in determining the essential parameters to be optimised in this regard. However, each specific application necessitates a thorough investigation due to the diverse and unique combinations of material technology and post-processing methods. The technologies utilised are electrospinning, extrusion-based bioprinting, and laser powder bed fusion. The diverse range of technology provides an overview of how scaffolds can be constructed to meet various scale specifications. Extrusion-based bioprinting utilises hydrogels, including both synthetic and natural variants, as scaffolding materials. These hydrogels are chosen because of their ability to closely mimic the extracellular matrix, which is essential for the growth of new tissue. In addition, they exhibit an optimal response to printing factors that are valuable for enhancing the printing process itself, with the aim of producing scaffolds that meet both biological and geometric requirements, including the selection of an appropriate crosslinking method. The Ti6Al4V alloy was used to study the surface properties of an orthopaedic implant. This alloy is specifically suitable for producing orthopaedic implants using laser powder bed fusion technology. To summarise, this thesis concentrates on the production of 3D scaffolds using additive manufacturing for tissue engineering applications. Every technology posed distinct challenges and concerns that needed to be resolved. In the end, the examination and refinement of the printing parameters and post-processing operations yielded favourable outcomes and improved knowledge of the processes.

Negli ultimi anni, l'ingegneria tessutale ha registrato notevoli progressi, soprattutto grazie all'emergere delle tecnologie di produzione additiva e all'integrazione di biomateriali e cellule. Questa tecnica avanzata consente la creazione di strutture complesse con componenti e proprietà diverse, specificamente progettate per l'uso in applicazioni biomediche. Il vantaggio principale di questa tecnologia è la sua capacità di personalizzazione, che aiuta a ridurre al minimo le difficoltà postoperatorie per i pazienti con impianti ortopedici e coloro che subiscono trapianti di tessuto. A tal fine, i componenti essenziali possono essere sintetizzati a partire dalle cellule del paziente. Tuttavia, ci sono ancora molti ostacoli che devono essere affrontati al fine di ottenere soddisfacenti strutture stampate in 3D. Un problema chiave è la necessità di ottimizzare il biomateriale per soddisfare sia i criteri di biocompatibilità che di stampabilità. Inoltre, la produzione di scaffold per l'ingegneria tissutale è una procedura complessa in quanto richiede che le strutture costruite imitino strettamente la matrice extracellulare al fine di creare un tessuto funzionale. L'obiettivo chiave è quello di produrre scaffold 3D composti da strutture multi-scala realizzate con bioink contenenti cellule. L'obiettivo di questa tesi è quello di creare scaffold 3D per applicazioni di ingegneria tessutale utilizzando tecnologie di produzione additiva. Per raggiungere questo obiettivo, la scelta della tecnologia e dei materiali è di fondamentale importanza. Pertanto, è essenziale ottimizzare sia la tecnica di stampa che il biomateriale selezionato. La letteratura può aiutare a determinare i parametri essenziali da ottimizzare. Tuttavia, ogni applicazione specifica richiede un'indagine approfondita a causa delle diverse e uniche combinazioni tra le tecnologie, i materiali e le strategie di post-processing. Le tecnologie utilizzate sono l'electrospinning, l’extrusion-based bioprinting e il laser powder bed fusion. La diversa gamma di tecnologie fornisce una panoramica di come gli scaffold possono essere costruiti per soddisfare le diverse specifiche di scala. Per la produzione di scaffold con l’extrusion-based bioprinting vengono utilizzati gli idrogeli a base naturale o sintetica. Gli idrogeli sono particolarmente adatti per la loro capacità di imitare struttura della matrice extracellulare, essenziale per la vita cellulare e il conseguente sviluppo di un nuovo tessuto. Inoltre, esprimono una risposta ottimale ai fattori di stampa che sono preziosi per migliorare il processo di stampa stesso, con l'obiettivo di produrre scaffali che soddisfino sia i requisiti biologici che geometrici, compresa la scelta di un metodo di crosslinking adeguato. La lega Ti6Al4V è stata utilizzata per studiare le proprietà superficiali di un impianto ortopedico. Questa lega è particolarmente adatta per la produzione di impianti ortopedici utilizzando la tecnologia laser powder bed fusion. Riassumendo, questa tesi si concentra sulla produzione di scaffold 3D per applicazioni di ingegneria tissutale, utilizzando diverse tecnologie di produzione additiva. Ogni tecnologia ha presentato sfide e problematiche differenti, lo studio e l’ottimizzazione dei relativi parametri di stampa e le operazioni di post-elaborazione hanno dato risultati favorevoli e migliorato la conoscenza dei processi.