AIIC AWARDS 2023

DESIGN FRAMEWORK FOR 4D PRINTING SHAPE-MORPHING STRUCTURES FOR BIOMEDICAL APPLICATIONS

AFFILIAZIONE
università di pisa – dipartimento di ingegneria dell’informazione

AUTORE PRINCIPALE
Dr Chiesa Irene

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GRUPPO DI LAVORO
Dr Chiesa Irene – università di pisa – dipartimento di ingegneria dell’informazione, pisa

AREA TEMATICA
Applicazioni innovative di bioingegneria (premio miglior tesi di dottorato)

ABSTRACT
La stampa 4D, introdotta per la prima volta nel 2013, può essere definita come la fabbricazione tramite stampa 3D di strutture che hanno la capacità di cambiare forma nel tempo, in maniera controllata e prevedibile, se esposte ad uno predeterminato stimolo esterno. Sebbene in letteratura ci siano diversi esempi che mostrano la potenzialità della stampa 4D in ambito biomedico, vi è ancora la mancanza di una formalizzazione completa di questo approccio di fabbricazione, che sia in grado di guidare e promuovere il suo utilizzo in ambito biomedico. In questo scenario, l’obiettivo di questo progetto di dottorato è stato l’espansione e il consolidamento della stampa 4D come tecnologia di fabbricazione abilitante per programmare l’evoluzione fisica, innescata da stimoli provenienti dall’ambiente, di strutture e dispositivi di interesse biomedico. Inizialmente è stato condotto uno studio teorico per formalizzare la progettazione con stampa 4D, tramite la definizione di una morphological box di alto livello e lo sviluppo di un workflow esauriente in grado di instradare l’utente verso una corretta progettazione, fabbricazione ed utilizzo di un nuovo prodotto. Successivamente, i suddetti strumenti teorici sono stati utilizzati come supporto nella progettazione e nello sviluppo di quattro casi studio di interesse biomedico. Il primo è un costrutto per l’ingegnerizzazione della trachea, sviluppato a partire da uno film in grado di arrotolarsi, fino a formare una struttura tubulare quando immerso in ambiente acquoso. Il costrutto è risultato altamente biocompatibile per diverse popolazioni cellulari di interesse (fibroblasti delle corde vocali, cellule epiteliali polmonari e cellule progenitrici della cartilagine) ed è in grado di supportare e favorire la formazione di cartilagine ialina. Il secondo caso studio ha previsto lo sviluppo di un modello in vitro di neurulazione, processo che porta alla formazione del tubo neurale nell’embrione. Il modello sviluppato è in grado di mimare la disposizione spaziale a rosetta delle cellule del corrispettivo organo in vivo. Il terzo e il quarto caso studio invece sfruttano la termo-responsività della seta per applicazioni di chirurgia intestinale. Più nel dettaglio sono state fabbricate delle strutture tubulari bistrato per eseguire anastomosi intestinali senza suture e strutture elicoidali per eseguire distraction enterogenesis intestinale, per il trattamento della sindrome dell’intestino corto.

 

 

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