Análisis comparativo de materiales de impresión 3D y hueso humano

Abstract

Este Trabajo Fin de Grado tiene como objetivo explorar el uso de tecnologías de impresión 3D para replicar estructuras óseas con propiedades mecánicas comparables a las del hueso humano. La investigación nace de la necesidad de contar con modelos anatómicos que sean no solo morfológicamente precisos, sino también estructuralmente fiables para su uso en formación médica, planificación quirúrgica y simulación clínica. El proyecto se divide en tres fases principales. En primer lugar, se lleva a cabo una caracterización de distintos materiales de impresión (PLA, ASA y Simubone) mediante ensayos de compresión en cilindros impresos con diferentes patrones de relleno (giroide, concéntrico y rectilíneo) y porcentajes de densidad. A continuación, se escanean secciones reales de huesos de cerdo mediante escáner 3D para obtener modelos geométricos realistas. Finalmente, se imprimen estas geometrías con combinaciones seleccionadas de parámetros y se ensayan a compresión. Los resultados permiten establecer correlaciones claras entre material, patrón de relleno, densidad e índices mecánicos como el módulo de Young o la tensión máxima. En configuraciones óptimas (material Simubone, patrón concéntrico, 100% infill), los modelos impresos logran aproximarse a la rigidez del hueso real con errores inferiores al 1%. El estudio pone de manifiesto el potencial de la impresión 3D como herramienta accesible y adaptable para entornos clínicos, especialmente en contextos de bajo coste. Asimismo, se identifican limitaciones metodológicas y se proponen futuras líneas de investigación como la incorporación de materiales cerámicos o el uso de escáneres médicos. Esta investigación se alinea con los Objetivos de Desarrollo Sostenible en salud, educación e innovación tecnológica.

This Final Project aims to explore the use of 3D printing technologies to replicate bone structures with mechanical properties comparable to those of natural human bone. The research addresses the growing demand for anatomical models that are not only morphologically accurate but also structurally reliable, to be used in medical training, surgical planning, and clinical simulation. The project follows a three-phase experimental methodology. First, different 3D printing materials (PLA, ASA, and Simubone) are characterized through compression tests on cylindrical specimens printed with various infill patterns (gyroid, concentric, rectilinear) and densities. Next, porcine bone sections are 3D scanned to obtain realistic geometrical models. Finally, those geometries are printed using selected parameter combinations and tested under compression to evaluate mechanical similarity. The results demonstrate clear correlations between material type, infill pattern and density, and key mechanical properties such as Young’s modulus and maximum stress. In optimal configurations (Simubone material, concentric pattern, 100% infill), printed models achieve stiffness values close to those of real bone, with relative errors below 1%. This study highlights the potential of 3D printing as a flexible and cost-effective tool for clinical applications. It is especially relevant in low-resource settings, where commercial bone models are often unaffordable. Methodological limitations are also acknowledged, and future work is suggested, including the use of ceramic composites and medical CT-based scanning. The project supports several Sustainable Development Goals, particularly those related to health, education, and technological innovation.