Efecto de los parámetros geométricos de la celda unitaria TPMS y los parámetros de impresión por fotopolimerización en la rugosidad superficial de scaffolds para cultivo de tejido óseo in vitro

Abstract

El objetivo principal de esta investigación es determinar el efecto de los parámetros geométricos de la celda unitaria TPMS y los parámetros de impresión por procesos de fotopolimerización en la rugosidad superficial de scaffolds que puedan ser utilizados en cultivo de tejido óseo in vitro. La metodología seguida abarcó la definición de los requerimientos fundamentales para los scaffolds empleados en cultivo de tejido óseo in vitro, la determinación de los parámetros geométricos y dimensionales de las celdas unitarias estudiadas; esto por medio de mapas de manufacturabildiad calculados, considerando las dos formas de construir las celdas TPMS (Walled y Offset), el tamaño de poro adecuado, la porosidad y las condiciones de manufacturabilidad dadas por la permeabilidad y la construcción de espesores delgados mediante el proceso de fotopolimerización MSLA. Posteriormente se realizó la fabricación y medición de la rugosidad superficial de acuerdo con el diseño experimental de Taguchi definido con un arreglo L9; y por último, se desarrolló el análisis estadístico para identificar el efecto que tienen los factores estudiados sobre la rugosidad superficial medida en Sa y Ra.

Los resultados indicaron que el Giroide, especialmente el Giroide Walled, tiene el mayor espacio de diseño. Sin embargo, se destacó que el Giroide Offset demostró ser más eficiente en la construcción de espesores delgados y presentó una mayor permeabilidad en comparación con las demás TPMS estudiadas. Luego de un estudio exploratorio y su posterior análisis, se definieron los factores específicos para la investigación que corresponden a: el tamaño de celda unitaria, con niveles de 1,5 mm, 1,75 mm y 2,0 mm, el Offset con niveles de -0,2 mm, -0,1 mm y 0,0 mm, por último, el espesor de capa con niveles de 0,03 mm, 0,05 mm y 0,1 mm.

Los valores de la rugosidad superficial Sa obtenidos oscilan, en promedio, entre 10,2 y 29,5 µm. Los valores de Ra en dirección longitudinal (RaL) oscilan, en promedio, entre 7,45 y 24,35 µm, mientras que los de Ra en dirección transversal (RaT) la hacen, entre 2,71 y 5,95 µm. Del análisis de estos resultados se evidenció que existe un cambio en el valor de la rugosidad superficial entre tratamientos; es decir, existe influencia de alguno de los factores. Además, los tratamientos se pueden agrupar según el espesor de capa, es decir, aquellos que comparten el mismo espesor de capa muestran resultados muy cercanos. De forma general, se observó que la variabilidad de los datos aumenta con el espesor de capa.

Las pruebas estadísticas aplicadas mostraron que el espesor de capa es el único factor que afecta significativamente las variables Sa y RaL. Sin embargo, para RaT, tanto el tamaño de celda unitaria como el espesor de capa son significativos. En conclusión, se establece que el espesor de capa es el factor más influyente en la rugosidad superficial, independientemente de la dirección de medición (Texto tomado de la fuente).

The main objective of this research is to determine the effect of the geometric parameters of the TPMS unit cell and the printing parameters by photopolymerization processes on the surface roughness of scaffolds that can be used in in vitro bone tissue cultivation. The methodology followed encompassed the definition of the fundamental requirements for scaffolds used in in vitro bone tissue cultivation, the determination of the geometric and dimensional parameters of the studied unit cells; this was done through calculated manufacturability maps, considering the two ways of constructing TPMS cells (Walled and Offset), the appropriate pore size, porosity, and manufacturability conditions given by permeability and the construction of thin thicknesses. Subsequently, the manufacturing and measurement of surface roughness were carried out according to the Taguchi experimental design defined with an L9 array, and finally, statistical analysis was developed to identify the effect of the studied factors on surface roughness measured in Sa and Ra.

The results indicated that the Gyroid, especially the Walled Gyroid, has the largest design space. However, it was highlighted that the Offset Gyroid proved to be more efficient in constructing thin thicknesses and showed higher permeability compared to the other TPMS studied. After an exploratory study and subsequent analysis, specific factors for the research were defined, corresponding to the unit cell size with levels of 1.5 mm, 1.75 mm, and 2.0 mm, the Offset with levels of -0.2 mm, -0.1 mm, and 0.0 mm, and finally, the layer thickness with levels of 0,03 mm, 0,05 mm, and 0,1 mm.

The values of the Sa surface roughness obtained range, on average, between 10.2 and 29.5 µm. The values of Ra in the longitudinal direction (RaL) range, on average, between 7.45 and 24.35 µm, while those of Ra in the transverse direction (RaT) range between 2.71 and 5.95 µm. From the analysis of these results, it was evident that there is a change in the value of surface roughness between treatments; that is, there is an influence of some factors. Additionally, the treatments can be grouped according to the layer thickness; in other words, those sharing the same layer thickness show very close results. In general, it was observed that the variability of the data increases with the layer thickness.

The applied statistical tests showed that layer thickness is the only factor that significantly affects the variables Sa and RaL. However, for RaT, both the unit cell size and layer thickness are significant. In conclusion, it is established that layer thickness is the most influential factor in surface roughness, regardless of the measurement direction.