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Thesis etd-04292022-154036


Thesis type
Tesi di dottorato di ricerca
Author
FORTUNATO, GABRIELE MARIA
URN
etd-04292022-154036
Thesis title
Robotic platform for in situ bioprinting
Academic discipline
ING-INF/06
Course of study
INGEGNERIA DELL'INFORMAZIONE
Supervisors
tutor Prof. Vozzi, Giovanni
relatore Ing. De Maria, Carmelo
Keywords
  • in situ bioprinting
  • path planning
  • robotic platform
  • surface reconstruction
  • tissue identification
Graduation session start date
05/05/2022
Availability
Withheld
Release date
05/05/2092
Summary
Il progetto di ricerca riguarda l’analisi di una tecnologia di fabbricazione innovativa nell’ambito della bioingegneria: il bioprinting in situ. Questa tecnologia consiste nella diretta deposizione di biomateriali sul paziente per la rigenerazione di tessuti danneggiati. Al seguito dell’analisi della letteratura, l’approccio più promettente è risultato quello basato su braccio robotico, garantendo una deposizione precisa e controllata anche nei difetti anatomici più complessi. In seguito alla definizione di un workflow operativo standard, è stato progettato un braccio robotico per valutarne le potenzialità e i limiti. Il robot (IMAGObot) è stato sviluppato a partire dal progetto open-source BCN3D-MOVEO ed è stato re-ingegnerizzato sia nell’hardware che nel software (controllo mediante software LinuxCNC). L’algoritmo di pianificazione delle traiettorie, sviluppato in Matlab, consente la determinazione del percorso di stampa sul difetto anatomico a partire dalla sua superficie e da un pattern di stampa planare su di esso proiettato. È stato progettato un sistema di scansione dei difetti per acquisire sia le proprietà geometriche che meccaniche dei tessuti scansionati. Questo consente di pianificare le traiettorie in modo più preciso, al fine di utilizzare diversi biomateriali a seconda del tessuto biologico target. IMAGObot è stato validato seguendo gli step del workflow operativo. É stato realizzato un phantom con un difetto cranico e utilizzando il braccio robotico è stata acquisita la geometria e le proprietà del difetto che è stato poi rigenerato mediante bioprinting in situ. I risultati ottenuti hanno mostrato che il bioprinting in situ basato su braccio robotico è molto promettente per la medicina rigenerativa.

The research project aims to analyse an innovative manufacturing technology in the field of bioengineering: in situ bioprinting. This technology consists in the direct deposition of biomaterials on the patient for the regeneration of damaged tissues. From the literature analysis, robotic-based in situ bioprinting resulted to be the most promising, guaranteeing precise and controlled deposition even on the most complex anatomical defects. Following the definition of a standardised operating workflow, a robotic arm was designed to assess its potential and limitations. The robot (IMAGObot) was developed from the open-source BCN3D-MOVEO project and was re-engineered in both hardware and software (robot controlled by LinuxCNC software). The path planning algorithm, developed in Matlab, allows the determination of the printing path on the anatomical defect starting from its surface and from a planar printing pattern projected on it. A defect scanning system was designed to acquire both geometric and mechanical properties of the scanned tissues. This allows trajectories to be planned more precisely in order to use different biomaterials according to the target biological tissue. IMAGObot was validated following the steps of the operational workflow. A phantom with a cranial defect was fabricated and using the robotic arm the geometry and properties of the defect were acquired and regenerated through in situ bioprinting. The results obtained showed that robotic-based in situ bioprinting is very promising for the regenerative medicine field.
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