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

1. Università di Pisa
Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione
Design Framework for 4D Printing
Shape-Morphing Structures for
Biomedical Applications

2. Il gruppo di lavoro
Biofabrication group, Università di Pisa
Prof. Giovanni Vozzi, Ph.D
Prof. Carmelo De Maria, Ph.D
Francesca Montemurro, Ph.D
Aurora De Acutis, Ph.D
Gabriele Maria Fortunato, Ph.D
Amedeo Franco Bonatti, Ph.D
Irene Chiesa, Ph.D
Simone Micalizzi, M.Sc
Elisa Batoni, M.Sc
Florinda Coro, M.Sc
Costanza Daddi, M.Sc
Alessio Esposito, M.Sc
Ginevra Pegollo, M.Sc
Membri coinvolti nel progetto
Prof. Giovanni Vozzi
Prof. Carmelo De Maria
Irene Chiesa Alessio Esposito

3. Descrizione
• La stampa 4D, introdotta nel 2013, viene definita
come la fabbricazione tramite tecniche di stampa
3D di strutture in grado di cambiare la propria
forma nel tempo, in maniera controllata e
prevedibile, in seguito dell’applicazione di uno
stimolo esterno.
• Nella prima parte di questo progetto di dottorato
è stato eseguito uno studio teorico, che
comprende lo sviluppo di una morphological box
e di un flusso di lavoro onnicomprensivo per
progettare tramite stampa 4D.
• Nella seconda parte, il framework teorico
sviluppato è stato usato come supporto per la
progettazione e lo sviluppo di quattro casi studio
di interesse biomedico.

4. Obiettivi e destinatari del lavoro
Obiettivo: 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 indotta dall'ambiente esterno di strutture e dispositivi
di interesse biomedico. Tale obiettivo è stato raggiunto attraverso lo sviluppo di un
framework di progettazione capace di formalizzare in maniera sistematica la
progettazione di nuovi prodotti tramite stampa 4D e attraverso l’uso di tale framework
come strumento chiave per progettare e sviluppare quattro casi studio di interesse
biomedico.
Destinatori del lavoro: Progettisti (e.g., ingegneri, medici, biologi) che vogliono
sviluppare un nuovi dispositivo di interesse biomedico tramite stampa 4D. Tra i
dispositivi di interesse rientrano: dispositivi medici, costrutti per l’ingegneria dei tessuti,
bioattuatori e biosensori, sistemi per il rilascio controllato di farmaco

5. Risultati
Studio teorico:
• Morphological box per la progettazione di un nuovo
prodotto tramite stampa 4D, in cui le sottofunzioni
sono ordinate secondo grado di rilevanza a partire
dal movimento elementare che il prodotto deve
compiere.
• Flusso di lavoro onnicomprensivo del processo di
progettazione e stampa 4D.
Casi Studio:
• Ingegnerizzazione della trachea: scaffold self-
folding biocompatibili in grado di promuovere la
formazione di cartilagine ialina.
• Modello in vitro di tubo neurale: modello dinamico in
grado di mimare la disposizione spaziale a rosetta del
corrispettivo in vivo.
• Anastomosi intestinale senza suture: strutture tubulari
bistrato in grado di eseguire anastomosi intestinali grazie
tramite un aumento di temperatura.
• Distraction enterogenesis: strutture elicoidali per
eseguire distraction enterogenesis intestinale tramite un
aumento di temperatura.

6. Irene Chiesa
irene.chiesa@phd.unipi.it
Assegnista di ricerca