Evaluation of direct light processing for the fabrication of bioactive ceramic scaffolds: Effect of pore/strut size on manufacturability and mechanical performance

Abstract

Bioactive ceramic scaffolds for bone regeneration consisting of a three-dimensional mesh of interpenetrating struts with square section were fabricated via Digital Light Processing (DLP). The ability of the technique to manufacture 3D porous structures from β-tricalcium phosphate (β-TCP) powders with different dimensions of struts and pores was evaluated, identifying the possibilities and limitations of the manufacturing process. Small pore sizes were found to seriously complicate the elimination of excess slurry from the scaffold’s innermost pores. The effect of the strut/pore size on the mechanical performance of the scaffolds under compressive stresses was also evaluated, but no significant influence was found. Under compressive stresses, the structures resulted weaker when tested perpendicularly to the printing plane due to interlayer shear failure. Interlayer superficial grooves are proposed as potential failure-controlling defects, which could also explain the lack of a Weibull size effect on the mechanical strength of the fabricated DLP scaffolds.

Se fabricaron andamiajes cerámicos bioactivos para la regeneración ósea consistentes en una malla tridimensional de puntales interpenetrantes de sección cuadrada mediante Procesado Digital de la Luz (DLP). Se evaluó la capacidad de la técnica para fabricar estructuras porosas tridimensionales a partir de polvos de β-fosfato tricálcico (β-TCP) con diferentes dimensiones de puntales y poros, identificando las posibilidades y limitaciones del proceso de fabricación. Se observó que los tamaños de poro pequeños complicaban seriamente la eliminación del exceso de lechada de los poros más internos del andamio. También se evaluó el efecto del tamaño del puntal/poro en el rendimiento mecánico de los andamios bajo esfuerzos de compresión, pero no se encontró ninguna influencia significativa. Bajo tensiones de compresión, las estructuras resultaron más débiles cuando se ensayaron perpendicularmente al plano de impresión debido al fallo por cizallamiento entre capas. Los surcos superficiales entre capas se proponen como posibles defectos que controlan el fallo, lo que también podría explicar la ausencia de un efecto Weibull del tamaño en la resistencia mecánica de los andamios DLP fabricados.