Desarrollo y optimización mecánica de andamiajes híbridos coaxiales cerámico/polímero para aplicaciones biomédicas

Abstract

Esta tesis persigue el desarrollo y optimización de nuevos andamiajes bioactivos porosos para su aplicación en ingeniería de tejido óseo, combinando de forma óptima un material cerámico y otro polimérico para potenciar sus propiedades mecánicas y biológicas. En concreto, los andamiajes híbridos desarrollados en esta tesis están compuestos por barras cuya vaina externa es cerámica y cuyo núcleo es polimérico. Esta combinación y disposición de materiales asegura que las estructuras fabricadas cuenten con una macroporosidad abierta e interconectada y presencia de iones calcio y fosfato en la superficie del andamiaje para garantizar la colonización celular y su capacidad osteoconductora. Para su fabricación se emplean técnicas de manufacturación aditiva (moldeo robotizado y procesado por luz directa) y procesos de infiltración en fase líquida de polímeros biodegradables. Una vez fabricadas, las estructuras son caracterizadas microestructuralmente y evaluadas mecánicamente, bajo esfuerzos de compresión y flexión. Cálculos por elementos finitos de los campos de tensión producidos bajo esfuerzos de compresión se utilizan para el análisis y la ampliación de los resultados experimentales. En los andamiajes desarrollados, a la rigidez y resistencia del esqueleto biocerámico se suma el efecto de las fibras poliméricas, que proporcionan tenacidad, dificultando la propagación de las fisuras, e integridad mecánica a la estructura incluso a altas deformaciones.

This thesis pursues the development and optimisation of novel bioactive porous scaffolds for bone tissue engineering applications combining a biodegradable ceramic and polymer to enhance their mechanical and biological properties. Specificaly, the hybrid scaffolds developed in this thesis are comprised of struts with ceramic outer shells and polymeric cores. This combination and arrangement of materials ensures, firstly, that the structures have an open and interconnected macroporosity and, secondly, the presence of calcium and phosphate ions on the surface of the scaffold, to guarantee cell ingrowth and its osteoconductive capacity, respectively. Additive manufacturing techniques (Direct Ink Writing and Direct Light Processing) are used for their fabrication along with liquid polymer infiltration processes. After fabrication, the scaffolds are characterised microstructurally and evaluated mechanically, under compressive and bending loads. FEM numerical calculations of the stress fields developed in compression are used in the analysis and extension of the experimental results. In the developed scaffolds, the effect of the polymeric core fibres is added to the stiffness/strength of the bioceramic skeleton, providing toughness, by hindering the propagation of the cracks, and mechanical integrity to the structure even at large strains.