Development of biodegradable iron scaffolds with antibacterial properties by additive manufacturing

Abstract

L'objectiu del projecte detallat en aquest informe va ser desenvolupar un scaffold metàl·lic biodegradable, utilitzant la tècnica Direct Ink Writing, amb propietats antibacterianes per al seu ús en la regeneració dels ossos llargs. Els scaffolds van ser fabricats amb pols de ferro pur utilitzant un hidrogel com a aglutinant, amb dos tipus de recobriment estudiats: electrodeposició de plata i fosfat de calci que conté nanopartícules de plata. Es van investigar tres temperatures de sinterització (tractament tèrmic): 1100°C, 1150°C i 1200°C. L'estructura de les mostres i el pols es van analitzar mitjançant microscòpia electrònica de rastreig i difracció de raigs X, revelant una fase alfa (ferríta) en totes les mostres, amb una possible oxidació i influència del tractament tèrmic en l'estructura resultant. Es van realitzar proves mecàniques i químiques. Com a part de la primera categoria, els assaigs de compressió no van mostrar una influència significativa del mètode de debinding ni de la temperatura de sinterització sobre les propietats mecàniques, amb valors del mòdul de Young al voltant de 0.62 GPa. Les mesures de microduresa va demostrar un material amb un Vickers HV0.2 al voltant de 73 HV de mitjana, presentant diferències en els resultats amb més duresa per a l’andamiatge sinteritzat a 1150°C. Pel que fa a les proves químiques, les proves ICP van mostrar que la degradació augmentava amb la galvanoplàstia de plata i, en menor mesura, amb la sinterització a 1200°C. En les proves biològiques, l’assaig antibacterià va revelar un efecte antibacterià en totes les mostres, amb els scaffolds sinteritzats a 1200°C mostrant un menor efecte antibacterià. Els resultats mostren propietats potencials similars a l'os, però es necessita més investigació. També cal investigar més sobre la porositat resultant, les propietats antibacterianes i la taxa de degradació per determinar les propietats requerides per a la regeneració òssia. S'han d'investigar nous mètodes de producció.

El objetivo del proyecto detallado en este informe fue desarrollar scaffold metálico biodegradable, utilizando la técnica de Direct Ink Writing, con propiedades antibacterianas para su uso en la regeneración de huesos largos. Los scaffolds fueron fabricados con polvo de hierro puro utilizando un hidrogel como binder, con dos tipos de recubrimiento estudiados: electrodeposición de plata y fosfato de calcio que contiene nanopartículas de plata. Se investigaron tres temperaturas de sinterización (tratamiento térmico): 1100°C, 1150°C y 1200°C. La estructura de las muestras y el polvo fueron analizados mediante microscopía electrónica de barrido y difracción de rayos X, revelando una fase alfa-ferrítica en todas las muestras, posible oxidación e influencia del tratamiento térmico en la estructura resultante. Se realizaron pruebas mecánicas y químicas. Como parte de la primera categoría, una prueba de compresión no mostró una influencia significativa del método de debinding ni de la temperatura de sinterización sobre las propiedades mecánicas, con valores de módulo de Young alrededor de 0.62 GPa. La prueba de microdureza demostró un material con un Vickers HV0.2 alrededor de 73 HV de media, presentando diferencias en los resultados con mayor dureza para el andamio sinterizado a 1150°C. En cuanto a las pruebas químicas, las pruebas ICP mostraron que la degradación aumentaba con la galvanoplastia de plata y, en menor medida, con la sinterización a 1200°C. En las pruebas biológicas, la prueba antibacteriana reveló un efecto antibacteriano en todas las muestras, con los andamios sinterizados a 1200°C mostrando un menor efecto antibacteriano. Los resultados muestran propiedades potenciales cercanas al hueso, pero se necesita más investigación. También es necesario realizar más investigaciones sobre la porosidad resultante, las propiedades antibacterianas y la tasa de degradación. Se deben investigar nuevos métodos de producción.

The aim of the project detailed in this report was to develop a biodegradable metallic scaffold, using direct ink writing technique, with antibacterial properties for use in the regeneration of long bones. The scaffolds were fabricated of pure iron powder using a hydrogel as the binder, with two types of coating studied: silver electrodeposition and calcium phosphate containing silver nanoparticles. Three different temperatures of sintering (T-treatment) were investigated: 1100°C, 1150°C and 1200°C. The structure of the samples and the powder were analysed by scanning electron microscope and X-Ray diffraction, revealing an alpha-ferrite phase in all samples, potential oxidation, and the influence of the temperature treatment on resulting structure. Mechanical and chemical tests were performed. As part of the first category, a compression test showed no significant influence of the debinding method or sintering temperature on the mechanical properties, with Young’s modulus of 0.62 GPa. Microhardness test demonstrated a material with a Vickers HV0.2 around 73 HV on average, presenting differences in the results with higher hardness for 1150°C sintered scaffold. For chemical tests, ICP tests showed that degradation was enhanced by silver electroplating and, to a lesser extent, by sintering at 1200°C. In the biological tests, the antibacterial test revealed an antibacterial effect of all sample with scaffolds sintered at 1200°C presenting a lesser antibacterial effect. Results showing potential properties close to the bone but need more investigation. Further research into the resulting porosity, antibacterial properties and degradation rate is also needed to determine the properties required for bone regeneration. New methods of iron production need to be investigated, including the use of a water-free binder, and a means of avoiding oxidation during heat treatment.

Incoming