Improving the compressive strength of bioceramic robocast scaffolds by polymer infiltration

Abstract

En este trabajo se analiza el efecto de la infiltración de polímeros sobre la resistencia a la compresión de armazones de fosfato β-tricalcium (TCP) fabricados mediante robocasting (ensamblaje de escritura directa). Se fabricaron estructuras porosas consistentes en una malla tetragonal tridimensional de varillas interpenetrantes a partir de tintas TCP concentradas con propiedades viscoelásticas adecuadas. Los polímeros biodegradables (ácido poliláctico (PLA) y poli(ɛ-caprolactona) (PCL)) se infiltraron en armazones seleccionados mediante la inmersión de la estructura en una masa fundida de polímero. La infiltración aumentó la resistencia a la compresión uniaxial de estos modelos de armazones en un factor de tres (PCL) o seis (PLA). También mejoró considerablemente la integridad mecánica de las estructuras después del agrietamiento inicial, ya que la estructura infiltrada conservó una capacidad de carga significativa después de la fractura de las varillas cerámicas. La mejora de la resistencia en los armazones infiltrados se atribuyó a dos contribuciones diferentes: el sellado de defectos precursores en las superficies de las varillas cerámicas y la transferencia parcial de tensiones al polímero, como lo confirmó el análisis de elementos finitos. Se discuten las implicaciones de estos resultados para la optimización mecánica de armazones para aplicaciones de ingeniería de tejidos óseos.

The effect of polymer infiltration on the compressive strength of β-tricalcium phosphate (TCP) scaffolds fabricated by robocasting (direct write assembly) is analyzed in this work. Porous structures consisting of a tetragonal three-dimensional mesh of interpenetrating rods were fabricated from concentrated TCP inks with suitable viscoelastic properties. Biodegradable polymers (polylactic acid (PLA) and poly(ɛ-caprolactone) (PCL)) were infiltrated into selected scaffolds by immersion of the structure in a polymer melt. Infiltration increased the uniaxial compressive strength of these model scaffolds by a factor of three (PCL) or six (PLA). It also considerably improved the mechanical integrity of the structures after initial cracking, with the infiltrated structure retaining a significant load-bearing capacity after fracture of the ceramic rods. The strength improvement in the infiltrated scaffolds was attributed to two different contributions: the sealing of precursor flaws in the ceramic rod surfaces and the partial transfer of stress to the polymer, as confirmed by finite element analysis. The implications of these results for the mechanical optimization of scaffolds for bone tissue engineering applications are discussed.