Development by robocasting and mechanical characterization of hybrid HA/PCL coaxial scaffolds for biomedical applications

Abstract

Las estructuras porosas que consisten en una malla tetragonal tridimensional de tubos coaxiales interpenetrantes se fabricaron mediante robocasting a partir de tintas de hidroxiapatita (HA). Después de sinterizar las estructuras, la policaprolactona (PCL) se infiltró dentro del núcleo de los tubos mediante la inyección de una solución polimérica. La adición del polímero mejoró el rendimiento mecánico en términos de tenacidad frente a los armazones totalmente cerámicos de puntales densos y huecos, especialmente bajo tensiones de flexión. La impregnación de PCL también mejoró la resistencia a la compresión en comparación con los armazones de puntales huecos, aunque las estructuras de puntales densos se mantuvieron más fuertes, especialmente en compresión. Así, esta configuración coaxial núcleo-carcasa combina las mejores características de cada material: la rigidez necesaria y la excelente osteoconductividad de la biocerámica, con la alta tenacidad y ductilidad del biopolímero; y permite la fabricación de armazones híbridos con la macroporosidad interconectada necesaria para el crecimiento celular hacia el interior. Por lo tanto, este trabajo proporciona con éxito una prueba de concepto de esta novedosa estrategia para la mejora mecánica de armazones de base biocerámica preservando al mismo tiempo sus propiedades osteoconductoras.

Porous structures consisting of a tetragonal three-dimensional mesh of interpenetrating coaxial tubes were fabricated by robocasting from hydroxyapatite (HA) inks. After sintering the structures, polycaprolactone (PCL) was infiltrated within the tubes core by injection of a polymer solution. The addition of the polymer enhanced the mechanical performance in terms of toughness over dense- and hollow-strut all-ceramic scaffolds, specially under bending stresses. PCL impregnation improved also the compressive strength over hollow-strut scaffolds —although dense-strut structures remained stronger especially in compression. Thus, this coaxial core-shell strut configuration combines the best features of each material: the necessary stiffness and excellent osteoconductivity of the bioceramic, with the high toughness and ductility of the biopolymer; and allows the fabrication of hybrid scaffolds with the interconnected macroporosity necessary for cell ingrowth. Hence, this work successfully provides a proof-of-concept of this novel strategy for the mechanical enhancement of bioceramic-based scaffolds while preserving their osteoconductive properties.