Fabrication of 3D printed Titanium scaffolds and characterization of physicochemical and mechanical properties

En aquest treball, es van desenvolupar i van assajar diferents geometries d'estructures poroses de titani impreses en 3D per tal de determinar si són adients per a implants ossis en humans. Es va utilitzar una mescla de titani comercialment pur (99,5%) i un hidrogel per tal d'obtenir una tinta per imprimir mitjançant la tècnica d'impressió 3D Direct Ink Writing. Després del procés d'impressió, les mostres van ser sotmeses a tractaments tèrmics per tal d'eliminar el hidrogel i sinteritzar, obtenint peces amb un comportament mecànic adequat per al seu ús en teixit dur. A les mostres se'ls van realitzar una sèrie d'assajos per tal d'obtenir les seves característiques fisicoquímiques i mecàniques. Es van prendre imatges SEM per tal d'observar la microestructura general de les mostres, microporositat i macroporositat. Es va utilitzar la tècnica de Micro-CT per a mesurar la porositat i la densitat. Es van realitzar assaigs de Mercury Intrusion Porosimetry i juntament amb els resultats de Micro-CT obtinguts, van permetre caracteritzar els microporus de les mostres. Les característiques topogràfiques de la superfície (rugositat) es van mesurar mitjançant un equip de Microscopia Cromàtica Confocal. El mòdul de Young es va obtenir utilitzant assaigs de resistència a la compressió per compararlos amb el del os humà. Els resultats de duresa Vickers van permetre determinar la duresa de les mostres impreses, és a dir, la resistència d'un material a ser deformat plàsticament. Els resultats obtinguts en els diferents assajos realitzats, van demostrar que totes les mostren tenen propietats fisicoquímiques i mecàniques apropiades per permetre el transport de fluids en elles i la proliferació cel·lular, si són usades com a material per a implant en os humà.
En este trabajo, se desarrollaron y ensayaron diferentes geometrías de estructuras porosas de titanio impresas en 3D con el fin de determinar si son adecuadas para implantes óseos en humanos. Se utilizó una mezcla de titanio comercialmente puro (99,5%) y un hidrogel con el fin de obtener la tinta para imprimir mediante la técnica de impresión 3D Direct Ink Writing. Después del proceso de impresión, las muestras fueron sometidas a tratamientos térmicos con el fin de eliminar el hidrogel y obtener piezas con un comportamiento mecánico adecuado para su uso en hueso humano. A las muestras se les realizaron una serie de ensayos con el fin de obtener sus características fisicoquímica y mecánica. Se tomaron imágenes SEM con el fin de observar la microestructura general de las muestras, microporos y macroporos. Se utilizó la técnica de Micro-CT para obtener la porosidad y densidad de las estructuras impresas. Se realizó el ensayo de Mercury Intrusion Porosimetry y junto con los resultados de Micro-CT obtenidos, nos permitieron caracterizar los microporos. Las características topográficas de la superficie (rugosidad) fueron estudiadas mediante un equipo de Microscopía Cromática Confocal. El módulo de Young se obtuvo utilizando los resultados de la resistencia a la compresión para compararlos con el del hueso humano. Los resultados de dureza Vickers nos permitieron determinar la dureza de las muestras impresas, es decir, la resistencia de un material a ser penetrado. Los resultados obtenidos en los distintos ensayos realizados, demostraron que todas las muestran tienen propiedades fisicoquímicas y mecánicas apropiadas para permitir el transporte de fluidos en ellas y la proliferación celular, si son usadas como material para implante en hueso humano.
In this work, different geometries of 3D printed porous titanium structures were developed and tested in order to determine if they are suitable for bone implants in humans. Commercial pure Titanium (99.5%) and an hydrogel were mixed in order to obtain the ink to print through 3D printing technique direct ink writing. After the printing process, samples were subjected to thermal treatments in order to remove the hydrogel and obtain pieces with a mechanical behavior suitable for use on human bone. Physicochemical and mechanical characterization was performed to the samples to characterize them. SEM images were taken in order to observe the general microstructure of the samples, micropores and macropores. Micro-CT technique was used to obtain porosity and density. Mercury Intrusion Porosimetry was performed and along with Micro-CT results obtained, allowing us to characterized micropores. Surface topographic characteristics (roughness) were studied through Chromatic Confocal Microscopy equipment. Young modulus was obtained using compressive strength results in order to compare them with human bone. Vickers hardness results allowed us to determine hardness of the samples printed, that is, the resistance of a material to being penetrated. Results obtained on assays performed, demonstrated that all samples have physicochemical and mechanical properties suitable for fluid transport and cellular proliferation if used as bone scaffolds