Fabricación mediante moldeo robotizado y optimización mecánica de andamiajes vitrocerámicos bioactivos para ingeniería de tejidos

Abstract

Para solucionar los problemas de fijación de los actuales implantes ortopédicos es preciso desarrollar biomateriales con propiedades similares a las del hueso y que interaccionen con el tejido de manera que induzcan la regeneración ósea. Una manera de conseguirlo es utilizar materiales osteofílicos en forma de matriz porosa.

Entre los materiales utilizados para fabricar estos sustratos, los biovidrios (45S5, 13-93…) reciben una gran atención debido a su alta bioactividad. Su principal inconveniente, especialmente cuando son porosos, es su escasa resistencia a fractura que, junto con su inherente fragilidad, relega su aplicación a regiones de baja carga.

Para desarrollar andamiajes de biovidrios 45S5 y 13-93 con mejores propiedades mecánicas se han seguido tres estrategias: (i) Optimizar la arquitectura de poros. Para ello, los andamiajes se han fabricado mediante moldeo robotizado, una técnica de manufacturación aditiva que permite mayor control de la arquitectura de poros que las técnicas convencionales. (ii) Mejorar las propiedades intrínsecas de las barras mediante el control del proceso de sinterización. (iii) Incorporar una fase polimérica. Además de cuantificar el aumento de resistencia y tenacidad obtenido mediante infiltración de los andamiajes con PCL y PLA, se ha analizado el efecto de la población de defectos en los mecanismos de refuerzo.

Los resultados de este estudio proporcionan información relevante relativa al moldeo robotizado de andamiajes de biovidrio y a sus propiedades biológicas y mecánicas, y al comportamiento mecánico de estructuras cerámico/polímero con posibles aplicaciones como materiales estructurales no solo en el campo biomédico sino también en otras áreas de ingeniería.

To solve the fixation problems of current bone implants, it is necessary to develop biomaterials with bone-like properties and able to interact with the tissues, so that they can induce bone regeneration. A strategy to achieve this interaction is to use porous matrices of osteophilic materials.

Among the materials used to fabricate those porous substrates, bioactive glasses (as 45S5 and 13-93) are attracting an increasing attention due to their high bioactivity. Their main drawback, especially when they are porous, is their low fracture strength, which, together with their intrinsic brittleness, limits their use to low–load applications.

To produce 45S5 and 13-93 bioglass scaffolds with improved mechanical properties, three strategies have been used in this study: (i) Optimizing the pore architecture. To achieve that, the scaffolds have been fabricated by robocasting, an additive manufacturing technique that provides a much greater level of control over pore architecture than conventional techniques. (ii) Improving the intrinsic properties of the struts through the control of the sintering process. (iii) Incorporating a polymeric phase. Besides quantifying the strengthening and toughening achieved in 45S5 and 13-93 bioglass scaffolds upon polymer-melt infiltration with PCL and PLA, the correlation between flaw population and mechanical improvement has been analyzed.

The results of this study provide valuable insight into the robocasting of bioglass-derived scaffolds and their mechanical and biological performance, and into the mechanical behaviour of ceramic/polymer co-continuous composites with potential niches of application as structural materials not only in the biomedical field but also in other engineering áreas.