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Concave surfaces have shown to promote bone regeneration in vivo. However, bone scaffolds obtained by direct ink writing, one of the most promising approaches for the fabrication of personalized bone grafts, consist mostly of convex surfaces, since they are obtained by microextrusion of cylindrical strands. By modifying the geometry of the nozzle, it is possible to print 3D structures composed of non-cylindrical strands and favor the presence of concave surfaces. In this work, we compare the in vivo performance of 3D-printed calcium phosphate scaffolds with either conventional cylindrical strands or star-shaped strands, in a rabbit femoral condyle model. Monocortical defects, drilled in contralateral positions, are randomly grafted with the two scaffold configurations, with identical composition. The samples are explanted eight weeks post-surgery and assessed by µ-CT and resin-embedded histological observations. The results reveal that the scaffolds containing star-shaped strands have better osteoconductive properties, guiding the newly formed bone faster towards the core of the scaffolds, and enhance bone regeneration, although the increase is not statistically significant (p > 0.05). This new approach represents a turning point towards the optimization of pore shape in 3D-printed bone grafts, further boosting the possibilities that direct ink writing technology offers for patient-specific applications.

In the biomedical field, dental implants have the function of restoring one or more teeth and they are extremely important to recover the health of the mouth and to improve the quality of patient life. Dental implants are subject to highly demanding working conditions: they have to bear the pressures of chewing, must have high hardness and wear resistance, have to be biocompatible and must have a high resistance to corrosion in an environment with wide variations of acidity and temperature. There is no material that meets all the requirements set. Ideal dental implant must be made of materials gradually varying composition. In this way, it is possible to make that the properties of the portion of the implant in contact with the jawbone is biocompatible and resistant to corrosion from biological fluids; and the portion of the implant having to endure chewing is hard, wear-resistant and presents corrosion resistance in the oral conditions. Otherwise, rapid prototyping based on laser cladding is an additive manufacturing process based on the overlap of layers of material, one above the others, to produce metallic or ceramic functional components. Using this technique it is possible to gradually change from one material to another while the part is being created. It is the ideal process for the production of functional parts multimaterials with a gradual composition. The aim of this work is the generation of functional dental implants with a gradual composition. The most suitable materials will be selected and the parts will be generated by rapid prototyping based in laser cladding. The samples will be validated by studying the microstructure, the chemical-physical properties, mechanical properties and the in-vitro biological characterization. En el campo biomédico, los implantes dentales tienen la función de restaurar una o varias piezas dentales y tienen una gran importancia para recuperar la salud de la boca y mejorar la calidad de vida del paciente. Los implantes de este tipo están sometidos a unas condiciones de trabajo muy exigentes: deben soportar las presiones de la masticación, tienen que presentar una elevada dureza y resistencia al desgaste, deben ser biocompatibles y tener una alta resistencia á la corrosión en un entorno en el que se producen amplias variaciones de acidez y temperatura. No existe un material que cumpla todos los requisitos expuestos. El implante dental ideal tiene que estar formado por varios materiales que varíen gradualmente su composición. De esta forma se puede conseguir que las propiedades de la parte del implante que está en contacto con el hueso de la mandíbula sea biocompatible y resistente a la corrosión de los fluidos biológicos; y que la parte del implante que tiene que soportar la masticación sea dura, resistente al desgaste y presente resistencia a la corrosión en las condiciones bucales. Por otro lado, el prototipado rápido basado en recargue láser es un proceso de fabricación aditiva que se basa en la superposición de capas de material unas sobre otras para la producción de componentes funcionales metálicos o cerámicos. Con esta técnica es posible cambiar gradualmente de un material a otro mientras se está generando una pieza. Este es el proceso ideal para la producción de piezas funcionales multimateriales con composición gradual. El objetivo de este trabajo es la generación de implantes dentales funcionales con composición gradual. Se seleccionaran los materiales precursores más adecuados y mediante prototipado rápido basado en recargue láser se generarán las piezas. Las muestras serán validadas mediante el estudio de la microestructura, propiedades físico-químicas, propiedades mecánicas y la caracterización biológica in-vitro. No campo biomédico, os implantes dentais teñen a función de restaurar unha ou varias pezas dentais e teñen unha gran importancia para recuperar a saúde da boca e mellorar a calidade de vida do paciente. Os implantes deste tipo están sometidos a unhas condicións de traballo moi esixentes: deben soportar as presións da mastigación, teñen que presentar unha elevada dureza e resistencia ó desgaste, deben ser biocompatibles e ter unha alta resistencia á corrosión nun entorno no que se producen amplas variacións de acidez e temperatura. Non existe un material que cumpra tódolos requirimentos expostos. O implante dental ideal ten que estar formado por varios materiais que varíen gradualmente a súa composición. Desta forma pódese conseguir que as propiedades da parte do implante que está en contacto co oso da mandíbula sexa biocompatible e resistente á corrosión dos fluídos biolóxicos; e que a parte do implante que ten que soportar a mastigación sexa dura, resistente ó desgaste e presente resistencia á corrosión nas condicións bucais. Por outro lado, o prototipado rápido baseado en recargue láser é un proceso de fabricación aditiva que se basea na superposición de capas de material unhas sobre outras para a produción de compoñentes funcionais metálicos ou cerámicos. Con esta técnica é posible cambiar gradual e continuamente dun material cara outro mentres se está xerando unha peza. Este é o proceso ideal para a produción de pezas funcionais multimateriais con composición gradual. O obxectivo deste traballo é a xeración de implantes dentais funcionais con composición gradual. Seleccionaranse os materiais precursores máis axeitados e mediante prototipado rápido baseado en recargue láser xeraranse as pezas. As mostras serán validadas para a mediante o estudo da microestrutura, propiedades físico-químicas, propiedades mecánicas e a caracterización biolóxica in-vitro.

El Fibrado Láser (Laser Spinning) se muestra como una técnica con un enorme potencial. Esta es una técnica para producir nanofibras de materiales que son muy difíciles o imposibles de fibrar por otros métodos. Permite formar una densa red de nanofibras en pocos minutos y puede ser adaptada para la producción industrial a gran escala. El Fibrado Láser ha sido desarrollado y patentado por el grupo de Aplicaciones Industriales de los Láseres de la Universidad de Vigo, grupo en el cual se pretende desarrollar la tesis cuyo proyecto se expone aquí. Esta técnica consiste, esencialmente, en la utilización de un láser de alta potencia para fundir y calentar a altas temperaturas un pequeño volumen del material precursor; al mismo tiempo, un chorro de gas supersónico incide sobre el volumen de material fundido produciendo unas tensiones de tracción que lo transforman en un filamento viscoso. La rápida elongación y enfriamiento de este filamento viscoso por el flujo de gas supersónico produce las nanofibras con estructura vítrea. En esta tesis se pretende desarrollar la nueva técnica de Fibrado Láser Continuo, este proceso se produciría sobre un flujo uniforme de material precursor, lo que permitiría mantener las condiciones de operación estables y obtener una producción continua de nanofibras con mayor control de sus características. La composición de las nanofibras se podría ajustar a voluntad mediante la elección adecuada del material precursor. El material precursor en el Fibrado Láser Continuo se espera que pueda ser un sólido preformado o un flujo de material fundido obtenido de un crisol de fusión. Una de las aplicaciones más interesante de la técnica de Fibrado Láser Continuo sería la producción de filtros compuestos por nanofibras cerámicas para la adsorción de CO2. En vista de la imposibilidad real de reducir totalmente la producción de CO2, la Unión Europea ha apostado por la captura y el almacenamiento geológico de carbono como una tecnología de transición a medio plazo que contribuirá a mitigar el cambio climático. Este proceso consiste en captar el CO2 emitido por las instalaciones industriales y confinarlo en una formación geológica subterránea adecuada para su almacenamiento permanente. Una de las posibles técnicas de captura del CO2 consiste en utilizar filtros de adsorción en la salida de humos de industrias con una alta tasa de emisión con el objetivo de minimizarla. En particular, el ortosilicato de litio es el material que mejor rendimiento ha demostrado para la adsorción y desorción de CO2, sin embargo, existen otros materiales cerámicos susceptibles de ser utilizados para esta aplicación. El objetivo final del presente proyecto es el desarrollo de la técnica de Fibrado Láser Continuo mediante la transformación de la técnica de Fibrado Láser convencional para generar nanofibras cerámicas cuasicontinuas, lo que no se ha logrado con ninguna otra técnica hasta el momento. Este logro significaría un avance científico y tecnológico muy destacado que promete ampliar las posibilidades de aplicaciones tecnológicas de las nanofibras. Además, en este trabajo se pretende analizar y desarrollar la utilización de la técnica de Fibrado Láser Continuo para la producción de filtros de adsorción de CO2. Estos filtros estarían compuestos por nanofibras de cerámica tal como el ortosilicato de litio para su instalación en plantas industriales con alta tasa de emisión. Nesta tese preténdese desenrolar a nova técnica de Fibrado Láser Continuo, este proceso produciríase sobre un fluxo uniforme de material precursor, o que permitiría mante-las condicións de operación estables e obter unha produción continua de nanofibras con maior control das súas características. A composición das nanofibras poderíase axustar a vontade mediante a elección axeitada do material precursor. O material precursor no Fibrado Láser Continuo espérase que poida ser un sólido preformado ou un fluxo de material fundido obtido dun crisol de fusión. Unha das aplicacións máis interesantes da técnica de Fibrado Láser Continuo sería a produción de filtros compostos por nanofibras cerámicas para a adsorción de CO2. En vista da imposibilidade real de reducir totalmente a produción de CO2, a Unión Europea apostou pola captura e o almacenamento xeolóxico do carbono como unha tecnoloxía de transición a medio prazo que contribuirá a mitiga-lo cambio climático. Este proceso consiste en capta-lo CO2 emitido polas instalacións industriais e confinalo nunha formación xeolóxica subterránea axeitada para o seu almacenamento permanente. Unha das posibles técnicas de captura de CO2 consiste en utilizar filtros de adsorción na saída de fumes de industrias cunha alta taxa de emisión co obxecto de minimizala. En particular, o ortosilicato de litio é o material que mellor rendemento demostrou para a adsorción e desorción de CO2, sen embargo, existen outros materiais cerámicos susceptibles de ser empregados nesta aplicación. O obxectivo final do presente proxecto é o desenrolo da técnica de Fibrado Láser Continuo mediante a transformación da técnica de Fibrado Láser convencional para xerar nanofibras cerámicas cuasicontinuas, o cal non se logrou con ningunha outra técnica ata o de agora. Este logro significaría un avance científico e tecnolóxico moi destacado que promete amplia-las posibilidades e aplicacións tecnolóxicas das nanofibras. Ademais, neste traballo preténdese analizar e desenrola-la utilización da técnica de Fibrado Láser Continuo para a produción de filtros de adsorción de CO2. Estes filtros estarían compostos por nanofibras de cerámica tal como o ortosilicato de litio para a súa instalación en plantas industriais con alta taxa de emisión.

En la presente tesis doctoral se ha hecho el estudio de la capacidad del plaqueado láser para producir recubrimientos micrométricos de una súper-aleación de base cobalto sobre acero inoxidable, de cara a acceder a rangos de espesores de recubrimientos difíciles de alcanzar con otras técnicas. Se ha partido de un sistema experimental de plaqueado láser convencional y se han explorado las limitaciones propias de la técnica a la hora de abordar procesos de recargue que impliquen espesores de recubrimiento de pocas decenas de micrómetros. Se han realizado ensayos experimentales para obtener cordones mediante la técnica de plaqueado láser por inyección neumáticas lateral de partículas. Se ha utilizado inicialmente una fuente láser de Nd:YAG, una mesa de posicionamiento, un alimentador de partículas basado en broca y un material precursor con partículas de 90 micrómetros de tamaño medio. El análisis y caracterización geométrica de los resultados iniciales mostró unos cordones con anchos y espesores de varios centenares de micrómetros. La sustitución de la fuente láser por otra de fibra Yb:YAG de alto brillo ha permitido una reducción del espesor de los cordones procesados, consiguiéndose bajo ciertos parámetros de procesamiento espesores por debajo de los 100 micrómetros, aunque con espesores por encima de ese valor. Una vez evaluadas las limitaciones inherentes al sistema de plaqueado láser convencional se ha diseñado, construido y puesto a punto un nuevo sistema experimental que permite trabajar con material precursor en polvo altamente cohesivo. La nueva estación de trabajo para micro-plaqueado láser está formada por una fuente láser de fibra Yb:YAG de alto brillo, un alimentador de partículas basado en ondas ultrasónicas, y capaz de trabajar con partículas micrométricas y submicrométricas, y un sistema de posicionamiento de alta precisión. Como material de precursor se ha utilizado una súper-aleación de base cobalto con un tamaño de partícula por debajo de los 16 micrómetros. Con este sistema se han producido cordones micrométricos de una súper-aleación de base cobalto, con unos anchos y espesores mínimos por debajo de los 20 y 10 micrómetros respectivamente. Se ha estudiado la influencia de las características geométricas de los cordones con los parámetros de procesamiento. Asimismo ha sido evaluada la microestructura de las muestras y su dureza. Finalmente, también se ha comprobado la viabilidad de la técnica en la generación de recubrimientos por solape de cordones. Las características geométricas de los micro-recubrimientos fueron analizadas en función de los parámetros, estudiándose también la microestructura obtenida en los micro-recubrimientos.

Trátase dunha novidosa técnica para a obtención de nanofibras chamada Laser Spinning. Esta técnica permite obter micro- e nanofribras de materiais que non son fitrábeis por outras técnicas. As fibras producidas son amorfas, de composición homoxénea, e con unha xeometría uniforme, con diámetros que van dende unhas dúcias de nanómetros ate unhas poucas micras. Fronte a outras técnicas existentes, o Laser Spinning permite producir nanofibras a velocidades realmente altas, a partir de material en bruto (sen preparación previa do mesmo) e baixo condicións atmosféricas (sen necesidade de atmósfera controlada). Dado que o Laser Spinning é unha técnica con pouco tempo de existencia, a influencia que as condicións de traballo teñen sobre a xeometría das fibras obtidas segue sen estar totalmente clara. Por iso, vai ser abordado o estudo da influencia dos parámetros de procesamento nas características físico-químicas das nanofibras obtidas. Unha vez estudado o proceso en profundidade, pasaremos a funcionalizar as fibras producidas. Segundo a composición das mesmas, pdemos traballar en diferentes liñas de investigación: * Silicatos de Litio. Trátase de un material apto para a captura e secuestro de CO2 (c.c.s. polas súas siglas en ingles). Pretendemos producir fibras de este material para poder utilizalas a modo de filtro en industrias emisoras de alta cantidad de CO2 (especialmente centrais térmicas). * Aluminosilicatos con alto contido en alúmina. Poderían ser utilizadas como soporte para certos catalizadores que precisan de un material base con alto contenido en Alúmina. Outra aplicación seria a de utilizar as fibras para fabricar tecidos ignífugos, dada a alta temperatura de fusión de estas cerámicas.