Determinación del comportamiento mecánico estático y a fatiga de las geometrías Gyroid

Abstract

El desarrollo de prótesis óseas con estructuras tipo Gyroid fabricadas mediante impresión 3D busca optimizar la regeneración celular en defectos óseos. Para ello se han realizado ensayos de tracción, compresión y fatiga con probetas de diferentes grados de porosidad (50%, 60% y 70%) fabricadas con resina Clear. Se realizaron ensayos estáticos y dinámicos para analizar y comparar la resistencia y el módulo elástico. Además, los ensayos de fatiga a compresión mostraron como la vida útil de las probetas disminuye con la porosidad y la carga aplicada, permitiendo así establecer criterios para un equilibrio entre rigidez, resistencia y funcionalidad en aplicaciones como scaffolds óseos.

1. Introducción Las lesiones óseas y defectos estructurales en tejidos duros suponen un desafío importante en medicina regenerativa, afectando directamente a la funcionalidad y calidad de vida del paciente. Tradicionalmente, estas reparaciones se realizan mediante injertos autólogos o heterólogos, procedimientos que implican riesgos de rechazo, infecciones o limitada integración con el tejido huésped. Como alternativa, surgen los andamios (scaffolds) impresos en 3D con geometría Gyroid, capaces de favorecer el crecimiento celular y osteointegración gracias a su porosidad controlada. Sin embargo, para su aplicación clínica es imprescindible evaluar su comportamiento mecánico bajo cargas reales del cuerpo humano. Este proyecto tiene como objetivo analizar la resistencia estática y a fatiga de estos materiales, estudiando el efecto de la porosidad sobre sus propiedades mecánicas para optimizar su diseño como sustituto óseo biocompatible. 2. Definición del proyecto Se realizarán una serie de ensayo estáticos; de tracción, compresión y fatiga para estudiar las propiedades mecánicas del material en cuestión. Dicho material tiene una estructura de tipo Gyroid, diseñada y optimizada con el objetivo del favorecer el crecimiento celular, en concreto del tejido óseo. Por otro lado, las probetas tendrán diferentes grados de porosidad, con el objetivo de optimizar lo máximo posible la cantidad de material y alcanzar las propiedades mecánicas más adecuadas para el objetivo deseado. El objetivo es sacar conclusiones de un material del cual ya se ha realizado un estudio previo de dimensionado y estudio de la estructura. El material que se ensayará son probetas tanto de tracción como de compresión con diferentes grados de porosidad. Actualmente se han estudiado diversos materiales como resinas. Sin embargo, se sigue buscando un material que sea biocompatible y con las propiedades mecánicas ideales. Debido a esto, nos hemos centrado en ensayar un material con propiedades mecánicas muy similares al que de verdad sería implantado. Como objetivo sería llegar a una conclusión definitiva de cómo reacciona el material y qué grado de porosidad sería el óptimo. En definitiva, la optimización de la cantidad del material y las propiedades mecánicas dependiendo de la porosidad de este, con el fin de identificar cómo esta variable influye en la resistencia y el comportamiento general de las geometrías Gyroid. Debido a que estas estructuras en un futuro formarán parte del organismo humano hay que comprobar la biocompatibilidad y los esfuerzos a los que se le puede someter a este tipo de estructuras. El proyecto se llevará a cabo en el laboratorio de ciencia de materiales empleado dos tipos de máquinas. La primera será para el ensayo de tracción y compresión donde someteremos a las probetas a unos esfuerzos y analizaremos las gráficas que nos devuelve el programa. Dichas gráficas nos muestran la carrera y la fuerza por cada momento, y la traspasaremos a tensión deformación relacionándola con el área medida de la probeta. Por otro lado, en el ensayo de tracción configuraremos la máquina con una fuerza máxima de 5020 N (siendo el máximo de la maquina 5200N) y realizaremos el ensayo a una velocidad de 5mm/min. Por otro lado, en el de compresión la velocidad será de 10mm/min además de necesitar uno platos de compresión adecuados para llevar a cabo dicho ensayo. Durante el ensayo se esté llevando a cabo vamos a estar atentos a que la fuerza ejercida por la maquina no supere los 5000 N, de ocurrir esto, tenemos que parar el ensayo de inmediato. Además, usaremos otra máquina para los ensayos a fatiga, los cuales llevarán un poco más de tiempo. Estos ensayos a fatiga se harán a compresión. Relacionado con el estudio del límite a fatiga, utilizaremos el análisis Wöhler y Weibull, para evaluar la durabilidad a largo plazo bajo cargas cíclicas. En cuanto al orden a seguir, nos pautamos por una lista de tareas en función de la disponibilidad de las máquinas del laboratorio y el tiempo que conlleva realizar cada ensayo. 3. Objetivos Objetivo del proyecto: Estudiar el comportamiento mecánico y el efecto de la porosidad en estructuras gyroid impresas mediante estereolitografía. Objetivos secundarios: - Estudiar el efecto de la porosidad de estructuras gyroid impresas mediante impresión 3D por estereolitografía en las propiedades a compresión y tracción - Estudiar el efecto de la porosidad de estructuras gyroid impresas mediante impresión 3D por estereolitografía en las propiedades a fatiga.

4. Resultados de los ensayos Los resultados obtenidos en este trabajo confirman que la porosidad influye de manera directa en las propiedades mecánicas de las estructuras gyroid fabricadas mediante impresión 3D por estereolitografía. Los ensayos estáticos de compresión muestran una clara disminución de la resistencia máxima a medida que aumenta la porosidad, siendo las probetas con un 50% de porosidad las que presentan mayores tensiones soportadas, seguidas de las del 60% y 70%. Sin embargo, este aumento de porosidad mejora la capacidad de deformación, favoreciendo una mayor absorción de energía antes del fallo. Por otro lado, los ensayos de fatiga mediante curvas Wöhler reflejan que las muestras con menor porosidad resisten un mayor número de ciclos antes de alcanzar su punto de fallo, mientras que aquellas con mayor porosidad fallan más rápidamente bajo cargas cíclicas a 15 Hz. Aun así, incluso las probetas del 70% de porosidad has mostrado un compromiso aceptable entre ligereza y resistencia. Estos resultados refuerzan la idea de que la estructura gyroid es adecuada para aplicaciones biomédicas, como implantes óseos, donde es necesario equilibrar resistencia mecánica, biocompatibilidad y espacio para el crecimiento celular. Además, en los ensayos de fatiga Weibull las probetas con menor porosidad (50%) alcanzaron mayores tensiones en compresión y resistieron un millón de ciclos sin fallo, demostrando alta durabilidad. En cambio, las probetas con mayor porosidad (70%) soportaron mayores cargas y presentaron una vida a fatiga más dispersa, con fallos entre 774 y 1474 ciclos. Los análisis de Weibull confirmaron esta tendencia, evidenciando que a mayor porosidad disminuye la resistencia a fatiga, aunque su mejora la capacidad de deformación y la ligereza, aspectos importantes para su aplicación en implantes óseos. 5. Conclusiones El estudio realizado confirma que la porosidad es un factor determinante en las propiedades mecánicas de las estructuras gyroid fabricadas mediante impresión 3D. Se ha observado que una menor porosidad mejora la resistencia a compresión y la durabilidad a fatiga, mientras que un mayor porcentaje de porosidad favorece la ligereza y la capacidad de deformación, aspectos clave para la integración con el tejido óseo. Los ensayos de fatiga y el análisis Weibull han permitido evaluar con detalle la fiabilidad del material, destacando que las probetas con menor porosidad soportan mejor las cargas cíclicas prolongadas. Este trabajo ofrece una base sólida para optimizar el diseño de scaffolds destinados a aplicaciones biomédicas, garantizando un equilibrio adecuado entre resistencia mecánica, biocompatibilidad y funcionalidad, fundamentales para su futura implantación en tratamientos de regeneración ósea.

PROJECT SUMMARY The development of bone prostheses with Gyroid-type structures manufactured using 3D printing seeks to optimise cell regeneration in bone defects. For this purpose, tensile, compression and fatigue tests have been carried out with specimens of different degrees of porosity (50%, 60% and 70%) manufactured with Clear resin. Static and dynamic tests were performed to analyse and compare strength and elastic modulus. In addition, compressive fatigue tests showed how the service life of the specimens decreases with porosity and applied load, thus allowing the establishment of criteria for a balance between stiffness, strength and functionality in applications such as bone scaffolds.

1. Introduction Bone lesions and structural defects in hard tissues pose a major challenge in regenerative medicine, directly affecting the patient's functionality and quality of life. Traditionally, these repairs are performed using autologous or heterologous grafts, procedures that involve risks of rejection, infection or limited integration with the host tissue. As an alternative, 3D printed scaffolds with Gyroid geometry have emerged, capable of promoting cell growth and osseointegration thanks to their controlled porosity. However, for their clinical application it is essential to evaluate their mechanical behaviour under real human body loads. This project aims to analyse the static and fatigue resistance of these materials, studying the effect of porosity on their mechanical properties to optimise their design as a biocompatible bone substitute. 2. Definition of the project A series of static tests will be carried out; tensile, compression and fatigue tests to study the mechanical properties of the material in question. This material has a Gyroid type structure, designed and optimized with the objective of favouring cellular growth, specifically of the bone tissue. On the other hand, the specimens will have different degrees of porosity, to optimize as much as possible, the amount of material and to achieve the most suitable mechanical properties for the desired objective. The objective is to draw conclusions from a material for which a previous study of sizing and study of the structure has already been carried out. The material to be tested are both tensile and compression specimens with different degrees of porosity. Currently, various materials have been studied as resins. However, the search continues for a material that is biocompatible and with ideal mechanical properties. Because of this, we have focused on testing a material with mechanical properties very similar to what would be implanted. The goal would be to reach a definitive conclusion on how the material reacts and what degree of porosity would be optimal. In short, the optimization of the amount of material and mechanical properties depending on the porosity of the material, to identify how this variable influences the strength and overall behaviour of Gyroid geometries. Since these structures will be part of the human organism in the future, the biocompatibility and stresses to which this type of structures can be subjected must be tested. The project will be carried out in the materials science laboratory using two types of machines. The first one will be for the tensile and compression test where we will subject the specimens to some efforts, and we will analyse the graphs that the program returns to us. These graphs, which inform us about the stroke and force for each moment, will be transferred to stress-strain relating it to the area of the specimen. In the tensile test we will configure the machine with a maximum force of 5020 N (being the maximum of the machine 5200N) and we will perform the test at a speed of 5mm/min. On the other hand, in the compression test the speed will be 10mm/min and we will need a suitable compression plate to carry out the test. During the test is being carried out we will be attentive that the force exerted by the machine does not exceed 5000 N, if this happens, we must stop the test immediately. On the other hand, we will use another type of machine for fatigue tests, which will take a little more time. These fatigue tests will be compressive. Related to the study of the fatigue limit, we will use the Wohler and Weibull analysis, to evaluate the long-term durability under cyclic loading. As for the order to be followed, we will follow a list of tasks depending on the availability of the laboratory machines and the time required to perform each test. 3. Objectives Project objective: To study the mechanical behaviour and the effect of porosity in gyroid structures printed by stereolithography. Secondary objectives: - To study the effect of porosity of gyroid structures printed by stereolithography 3D printing on the compressive and tensile properties. - To study the effect of the porosity of gyroid structures printed by stereolithography 3D printing on the fatigue properties. 4. Results The results obtained in this work confirm that porosity has a direct influence on the mechanical properties of gyroid structures fabricated by stereolithography 3D printing. Static compression tests show a clear decrease of the maximum strength as porosity increases, being the specimens with 50% porosity the ones with the highest supported stresses, followed by those with 60% and 70% porosity. However, this increase in porosity improves the deformation capacity, favouring greater energy absorption before failure. On the other hand, fatigue tests using Wöhler curves show that specimens with lower porosity resist a greater number of cycles before reaching their failure point, while those with higher porosity fail faster under cyclic loading at 15 Hz. Even so, even the 70% porosity specimens have shown an acceptable compromise between lightness and strength. These results reinforce the idea that the gyroid structure is suitable for biomedical applications, such as bone implants, where it is necessary to balance mechanical strength, biocompatibility and space for cell growth. In addition, in Weibull fatigue tests, the specimens with lower porosity (50%) reached higher compressive stresses and resisted one million cycles without failure, demonstrating high durability. On the other hand, specimens with higher porosity (70%) withstood higher loads and presented a more dispersed fatigue life, with failures between 774 and 1474 cycles. Weibull analyses confirmed this trend, showing that the higher the porosity, the lower the fatigue strength, although its deformation capacity and lightness improved, important aspects for its application in bone implants. 5. Conclusions The study carried out confirms that porosity is a determining factor in the mechanical properties of 3D printed gyroid structures. It has been observed that lower porosity improves compressive strength and fatigue durability, while a higher percentage of porosity favours lightness and deformation capacity, key aspects for integration with bone tissue. Fatigue tests and Weibull analysis have allowed a detailed evaluation of the reliability of the material, highlighting that specimens with lower porosity better withstand prolonged cyclic loading. This work provides a solid basis for optimizing the design of scaffolds for biomedical applications, ensuring an adequate balance between mechanical strength, biocompatibility and functionality, fundamental for their future implementation in bone regeneration treatments.