Strutture cellulari in meta-biomateriale auxetico per impianti ossei trabecolari

I meta-biomateriali auxetici sono metamateriali meccanici biocompatibili che trovano ampia applicazione nella progettazione di impianti ortopedici in stampa 3D. Tali biomateriali si distinguono per le loro peculiari proprietà meccaniche e biologiche, tra cui un valore del coefficiente di Poisson negativo, definito comportamento auxetico. In questo contesto, il lavoro presenta nuove strutture cellulari in meta-biomateriale auxetico in grado di mimare le macro-proprietà elastiche delle ossa trabecolari umane. L’unità elementare della struttura comprende un corpo reticolare di forma prismatica a base triangolare, composto da travi e controventature a sezione trasversale circolare, così da costituire elementi di elevata rigidezza, connesso alle unità contigue mediante travi che originano dai suoi vertici. I passi del lavoro sono tre. Il primo sviluppa un modello analitico per prevedere le proprietà macroscopiche della struttura al variare delle sue caratteristiche geometriche, impiegando la teoria della trave secondo i modelli di Eulero-Bernoulli e di Timoshenko. Nello specifico, il modello analitico definisce la matrice di rigidezza di un’unità elementare della struttura sotto opportune condizioni di vincolo, grazie alla quale è possibile ricavare gli spostamenti nodali di tale unità, e da questi, stimare le proprietà elastiche del meta-biomateriale. Al fine di validare il modello analitico, il secondo passo sviluppa un modello parametrico agli Elementi Finiti della struttura che descrive la geometria utilizzando elementi trave. I risultati numerici confermano le previsioni analitiche, sia relativamente al modulo elastico, sia relativamente alla tensione di snervamento della struttura, per valori del coefficiente di Poisson compresi tra –0.51 e -0.96. Inoltre, le previsioni numeriche mettono in luce che la struttura è ortotropa, evidenziando un comportamento trasversalmente isotropo per specifiche configurazioni dell’unità elementare. Nel terzo passo, si è proceduto alla prototipazione della struttura mediante stampa 3D in materiale polimerico e si è svolta una prova di compressione quasi-statica: le indagini sperimentali hanno confermato lo spiccato comportamento auxetico e la rigidezza della soluzione proposta. Nel complesso, queste strutture sono caratterizzate da una rigidezza e una porosità simili a quelle delle ossa spongiose umane, che consentono di ridurre i fenomeni di riassorbimento osseo, favorendo la ricrescita dei tessuti al loro interno.