Generation of a bioink for the biofabrication of a tooth-like model

Dental diseases remain among the most prevalent and clinically burdensome non-communicable disorders worldwide. These diseases are traditionally treated by replacing damaged tissue with inert materials that mimic the visual appearance of enamel. Although these materials have improved in strength and esthetics, restoration failure rates remain high because current dental material testing platforms do not accurately reflect the complexity of the oral microenvironment. In this thesis, the proposed solution to address this gap is the development of a tooth model generated using extrusion-based 3D bioprinting technology. The first set of experiments focused on formulating the biomaterial ink: different natural polymers were tested, and the final composition was based on methacrylated alginate (ALMA). By modulating the crosslinking dynamics of the system, we identified the optimal microenvironment for each region of the tooth. We first bioprinted models corresponding to the different regions of the tooth (dental pulp, dentin, and enamel) to examine how biophysical cues influence cell phenotype. Then, using the spatial control offered by 3D bioprinting technology, we generated the tooth-like models, assigning region-specific mechanical properties within single constructs. This work demonstrated that 3D bioprinting technology, combined with customization of mechanical properties and the use of stem cells, could represent a promising strategy to generate 3D biomimetic models of the tooth that, in the future, can be used as a platform for dental materials testing.

La carie dentale è una delle patologie orali più comuni a livello mondiale. Tradizionalmente, viene trattata sostituendo il tessuto danneggiato con materiali inerti che simulano l’aspetto dello smalto. Sebbene negli anni questi materiali siano migliorati in termini di resistenza ed estetica, il tasso di fallimento rimane elevato a causa dell’incapacità delle attuali piattaforme di testing dei materiali dentali di riprodurre con precisione la complessità del microambiente orale. In questa tesi, la soluzione proposta è lo sviluppo di un modello di dente generato tramite biostampa 3D a estrusione. I primi esperimenti si sono concentrati sulla formulazione del bioinchiostro: sono stati testati diversi polimeri di origine naturale e la composizione finale si basa sull’uso di alginato metacrilato. Modulando la dinamica di reticolazione del sistema, è stato possibile identificare il microambiente ottimale per ciascuna regione del dente. Abbiamo inizialmente biostampato separatamente le diverse regioni dentali (polpa dentale, dentina e smalto) per osservare l’effetto degli stimoli biofisici sul fenotipo cellulare. Successivamente, sfruttando il controllo spaziale offerto dalla biostampa, abbiamo generato modelli simil-dentali assegnando a ciascuna regione specifiche caratteristiche meccaniche. Questo lavoro ha permesso di dimostrare che la biostampa 3D, combinata con la modulazione delle proprietà meccaniche dell’ambiente extracellulare e l’uso di cellule staminali, può rappresentare una strategia promettente per generare modelli dentali biomimetici che potranno in futuro essere utilizzati come piattaforma di testing dei materiali dentali.