Desarrollo de un metal celular ordenado con recubrimiento continuo como alternativa aplicable a elementos de fijación ósea

Abstract

El estudio de biomateriales metálicos aplicados a la ingeniería de tejidos, como las estructuras de sustento celular, ha tomado gran relevancia y se ha dirigido a mejorar el control de las propiedades físicas, mecánicas y biológicas del andamio, de acuerdo a los requerimientos puntuales de biofuncionalidad del tejido como resistencia, peso adecuado y adaptabilidad en el segmento de implantación. Esto con el fin de optimizar los procesos de osteosíntesis, disminuyendo las complicaciones asociadas principalmente con los tiempos de consolidación de la fractura y los procedimientos quirúrgicos secundarios. En esta tesis se desarrolló un metal celular ordenado con recubrimiento continuo, partiendo del modelaje tridimensional paramétrico de la estructura basada en celdas unitarias con poliedros ordenados por repetición múltiple y piel continua. Posteriormente, se aplicó un método experimental de fabricación efectiva para el andamio celular propuesto, tomando como material base la aleación de Mg AZ31B. La validación de las características dimensionales y superficiales de los andamios obtenidos, se realizó mediante tres técnicas de caracterización: microscopía óptica, microscopia electrónica de barrido y microtomografía computarizada. Con los resultados obtenidos se evaluó la relación diferencial entre las muestras metálicas y el diseño planteado; y se encontró que la morfología y distribución geométrica obtenidas, concuerdan con los requisitos para favorecer los procesos de infiltración, adhesión y proliferación celular. Finalmente, se realizó una caracterización mecánica por medio de ensayos de compresión, que mostraron una mejoría significativa en las propiedades mecánicas de las estructuras con piel, al presentar una respuesta mecánica cerca de Cinco (5) veces superior en la rigidez dependiente de la porosidad, comparadas con las estructuras sin piel. Además, se logró reconocer un patrón de comportamiento distintivo en la curva esfuerzo-deformación, que alude a un intercambio de mecanismos de deformación en la zona de fluencia, resaltando un incremento en la capacidad de absorción de energía para este tipo de estructuras. Los metales celulares obtenidos son considerados como un material con potencial para el desarrollo de elementos de fijación ósea, que pueden llegar a optimizar los procesos de osteosíntesis tras contar con una estructura ordenada y piel. Adicionalmente, la metodología aplicada amplía las posibilidades para el uso de tecnologías y procesos en la fabricación de estos andamios, que mejoren la respuesta a las necesidades particulares en el ámbito clínico y retroalimenten las experiencias conjuntas.

Abstract. The study of metallic biomaterials applied to tissue engineering, such as cell support structures; has taken relevance and has been aimed at improving the control of the physical, mechanical and biological properties of scaffolding according to the specific requirements of biofunctionality of tissue as resistance, adequate weight and adaptability in the implantation segment. All this, in order to optimize osteosynthesis processes, reducing the complications associated mainly with fracture consolidation times and secondary surgical procedures. In this thesis an ordered cellular metal with continuous coating was developed, starting from the three-dimensional parametric modeling of the structure based on unit cells with polyhedra ordered by multiple repetition and continuous skin. Subsequently, an experimental method of effective manufacturing was applied to the proposed cellular scaffolding, based on the Mg AZ31B alloy. The validation of the dimensional and superficial characteristics of the scaffolds obtained was carried out by means of three characterization techniques: optical microscopy, scanning electron microscopy and computerized microtomography. With the results obtained, the differential relationship between the metallic samples and the proposed design was evaluated; and it was found that the morphology and geometric distribution obtained are consistent with the requirements to the processes of infiltration, adhesion and cell proliferation. Finally, a mechanical characterization was performed by means of compression tests, which showed a significant improvement in the mechanical properties of the skin structures, presenting a mechanical response about Five (5) times higher in the porosity-dependent stiffness, compared to skinless structures. In addition, it was possible to recognize a pattern of distinctive behavior in the stress-strain curve, which refers to an exchange of deformation mechanisms in the stress plateau, highlighting an increase in the energy absorption capacity for this type of structures. The cellular metals obtained are considered as a potential material for the development of bone fixation elements, which can optimize osteosynthesis processes after having an ordered structure and skin. Additionally, the applied methodology expands the possibilities for the use of technologies and processes in the manufacture of these scaffolds, which improve the response to the particular needs in the clinical field and provide feedback on the experienc