Selective laser sintering of UHMWPE/HA biocomposites for bone tissue engineering

Abstract

O tecido ósseo possui geometria complexa com diferentes estruturas e composição. Processos de manufatura aditiva, como a sinterização seletiva a laser (SLS), possibilitam a produção de arcabouços ósseos utilizando um ampla gama de biomateriais. Utilizando-se a tecnologia SLS, uma estrutura complexa com alto grau de poros interconectados pode ser fabricada com a combinação de diferentes materiais. Materiais compósitos que utilizam biopolímeros e biocerâmicos demonstram resultados promissores na regeneração de tecido ósseo, entretanto, propriedades e a processabilidade dos materiais ainda precisam ser melhoradas. Além disso, as características morfológicas precisam ser compatíveis com aquelas do tecido a ser regenerado. Estes quesitos são influenciados pelos biomateriais e as características do pó utilizado. Aspectos como propriedades térmicas e ópticas influenciam diretamente no processamento via SLS. A utilização de parâmetros de processamento apropriados é indispensável para que haja a devida sinterização, atingindo as especificações necessárias para arcabouços ósseos. O polietileno de ultra alto peso molecular (UHMWPE) e a hidroxiapatita (HA) são biomateriais amplamente utilizados para implantes, entretanto, a sua combinação ainda não foi minuciosamente estudada para o processamento via SLS. O presente trabalho tem como objetivo investigar a mais favorável mistura de UHMWPE e HA para a produção de arcabouços ósseos. Primeiro serão analisadas questões relativas ao pó, visando delinear os parâmetros de processamento. Estes parâmetros serão investigados por meio do planejamento de experimentos com o objetivo de alcançar a devida sinterabilidade. Por fim, as peças fabricadas terão as propriedades mecânicas e químicas avaliadas, bem como a biocompatibilidade por meio de análises in vitro. Os resultados preliminares demonstraram que o UHMWPE é constituído por partículas porosas e possui uma estreita janela de sinterização, requerendo um preciso controle de parâmetros de fabricação.

Abstract: In this work, an investigation on the manufacturing of 3D parts using composite biomaterials, additive manufacturing and targeting bone tissue applications is presented. The employed manufacturing process was selective laser sintering (SLS) and the feedstock powder was commercial UHMWPE and self-synthesized hydroxyapatite (HA). First, a step-by-step approach to use spray drying (SD) for obtaining HA particles with suitable morphological characteristics for SLS processing was employed. Varying processing parameters it was possible to produced SDHA particles the within mean diameter range of 15 to 25 µm. A major influence of atomization pressure variation was identified, a greater pressure value resulted in smaller particle size. Desirability function was employed to determine the optimal SD processing parameters and the selected parameters have considered the processing efficiency. The SDHA powder was mixed, at 5 and 10% weight content, with sieved UHMWPE and several SLS processing parameters were evaluated. Powder characteristics were assessed, samples? dimensional and mechanical properties were measured, likewise, preliminary in vitro essays were conducted. Warping effect and dimensional variation were observed with the employed parameters combination. Results indicated that the addition of SDHA particles have favoured the processability and biological response, nevertheless, a greater amount of SDHA has hindered samples? mechanical properties so a compromise must be found.