Sviluppo di cementi al fosfato di calcio a base di brushite drogata con Zn²⁺ combinati con PCL per potenziali applicazioni nella rigenerazione ossea mediante stampa 3D

Abstract

La rigenerazione dei difetti ossei rappresenta una sfida rilevante in ambito odontoiatrico e maxillo-facciale, soprattutto quando la perdita di volume osseo compromette la riabilitazione implantare o protesica. In questo contesto, i cementi a base di fosfato di calcio sono biomateriali di interesse per biocompatibilità, osteoconduttività e somiglianza chimica con la componente minerale dell’osso. Tra questi, la brushite si distingue per solubilità e potenziale bioriassorbibilità rispetto alle fasi apatitiche. Il presente lavoro ha avuto come obiettivo lo sviluppo e la caratterizzazione preliminare di compositi a base di brushite drogata con Zn²⁺ e policaprolattone (PCL), per una possibile applicazione nella fabbricazione di scaffold personalizzati mediante stampa 3D. Sono state preparate formulazioni di brushite-Zn²⁺ al 2%, 5% e 10%, utilizzando β-tricalcio fosfato drogato con zinco come precursore, e brushite pura come controllo. I cementi ottenuti sono stati sottoposti a prove preliminari di compressione e caratterizzati mediante XRD e FT-IR. Le analisi hanno evidenziato caratteristiche compatibili con la formazione della brushite, senza confermare l’incorporazione dello Zn²⁺ nel reticolo cristallino. Dal punto di vista meccanico, i cementi drogati hanno mostrato proprietà inferiori alla brushite pura. La brushite drogata è stata incorporata in una matrice di PCL con rapporto 80/20. I compositi sono stati trasformati in pellet, estrusi in filamento e usati per stampare in 3D dischetti per valutazioni biologiche preliminari e blocchetti per prove di flessione. Queste ultime hanno mostrato un comportamento più regolare e riproducibile rispetto ai cementi isolati. Nel complesso, i risultati dimostrano la fattibilità di ottenere compositi PCL/brushite-Zn²⁺ processabili mediante estrusione e stampa 3D, rappresentando un primo passo verso scaffold bioattivi, bioriassorbibili e personalizzabili per la rigenerazione ossea.

Bone defect regeneration remains a relevant challenge in dentistry and maxillofacial surgery, especially when bone volume loss compromises implant or prosthetic rehabilitation. In this context, calcium phosphate-based cements are biomaterials of interest due to their biocompatibility, osteoconductivity, and chemical similarity to the mineral component of bone. Among them, brushite is characterized by greater solubility and potential bioresorbability compared with apatitic phases. The aim of this study was the development and preliminary characterization of composites based on Zn²⁺-doped brushite and polycaprolactone (PCL), for a possible future application in the fabrication of customized scaffolds by 3D printing. Brushite-Zn²⁺ formulations at 2%, 5%, and 10% were prepared using zinc-doped β-tricalcium phosphate as precursor, while pure brushite was prepared as a control. The obtained cements were subjected to preliminary compression tests and characterized by XRD and FT-IR. The analyses showed features compatible with brushite formation, without confirming Zn²⁺ incorporation into the crystal lattice. From a mechanical point of view, the doped cements showed lower properties than pure brushite. The doped brushite was incorporated into a PCL matrix with an 80/20 weight ratio. The composites were transformed into pellets, extruded into filament, and used to 3D print discs for preliminary biological evaluations and rectangular specimens for flexural tests. The latter showed a more regular and reproducible behavior compared with the isolated cements. Overall, the results demonstrate the feasibility of obtaining PCL/brushite-Zn²⁺ composites processable by extrusion and 3D printing, representing a first step toward bioactive, bioresorbable, and customizable scaffolds for bone regeneration.