Evaluating the suitability of fast sintering techniques for the consolidation of calcium phosphate scaffolds produced by DLP

Abstract

Se fabricaron andamiajes porosos mediante procesamiento digital por luz (DLP) a partir de polvo de β-TCP y se sinterizaron mediante sinterización convencional en aire (CSA), sinterización rápida en aire (RSA) y sinterización por plasma de chispa sin presión en vacío (pl-SPS), a cuatro temperaturas diferentes: 1200, 1300, 1400 y 1500 ºC. Cada estrategia de sinterización dio lugar a andamiajes con diferente composición de fases, microestructura y propiedades mecánicas. Se necesitaron tiempos de permanencia prolongados o temperaturas elevadas para lograr una transformación β→α completa, y las velocidades de enfriamiento rápidas evitaron la transformación inversa. La presencia de grafito en la cámara de sinterización desempeñó un papel crucial en la estabilización de la fase α-TCP, fase predominante en los andamiajes tratados con SPS, dificultó su densificación y evitó la generación de grietas inducidas por la transformación. Todos los andamiajes exhibieron resistencias a la compresión dentro del rango del hueso esponjoso, siendo el valor medio más alto de 22 ± 4 MPa el alcanzado por los andamiajes RSA sinterizados a 1300 ºC, gracias a su mayor densificación y fina microestructura.

Porous scaffolds were fabricated via Digital Light Processing (DLP) from β-TCP powder and sintered by conventional sintering in air (CSA), rapid sintering in air (RSA) and pressure-less spark plasma sintering in vacuum (pl-SPS), at four different temperatures: 1200, 1300, 1400 and 1500 ºC. Each sintering strategy resulted in scaffolds with different phase composition, microstructure and mechanical properties. Long dwell times or high temperatures were required to achieve a complete β→α transformation, and rapid cooling rates avoided the reverse transformation. The presence of graphite in the sintering chamber played a crucial role in stabilising the α-TCP phase, phase prevailing in SPS-treated scaffolds, hindered their densification and avoided the generation of transformation-induced cracks. All scaffolds exhibited compressive strengths within the range of cancellous bone, with the highest average value of 22 ± 4 MPa achieved by the RSA scaffolds sintered at 1300 ºC, thanks to their greater densification and fine microstructure.