Análisis de la influencia del proceso de fabricación utilizado (forja y fabricación aditiva) en el crecimiento de colonias bacterianas en la aleación Ti6Al4V

Abstract

[ES] Las infecciones periprostéticas (IPP) son causadas por microorganismos que colonizan prótesis, siendo los principales causantes el S.epidermidis y S.aureus. En la literatura científica se ha abordado la interacción bacteria-sustrato en superficies funcionalizadas de Ti6Al4V, sin estudiar la influencia de su microestructura, la cual depende del método de fabricación empleado (fabricación aditiva) o tratamiento aplicado (forjado). El objetivo de este estudio es desarrollar aleaciones de Ti6Al4V mediante forja, EBM y DMLS y comprobar el efecto que tiene la microestructura de cada una de ellas en la adhesión y colonización de bacterias (S.epidermidis y S.aureus). Para ello se caracterizaron microestructural, mecánica y biológicamente muestras de Ti6Al4V de forja, EBM y DMLS mediante: difracción de Rayos X, microscopía óptica, microscopía electrónica de barrido, perfilometría óptica, ensayo de dureza y microdureza, ensayo de cultivo bacteriano y microscopía confocal de fluorescencia. Los resultados muestran un patrón de XRD similar entre muestras, con mayor presencia de Tiα en las de fabricación aditiva. La microestructura característica en las muestras de forjado fue de mill annealing, en EBM y una de DMLS sometida a recocido fue de Windmastätten mientras que en la otra de DMLS fue martensítica con acículas de Tiα’. La rugosidad fue similar entre todas las muestras (>0,5 µm). La microdureza fue semejante entre muestras, mientras que en la dureza la muestra DMLS recocida presentó el menor valor. Debido a la elevada dispersión no se pudieron obtener datos concluyentes del ensayo de cultivo, pero las muestras de fabricación aditiva presentaron una tendencia a mayor colonización, especialmente las de DMLS (entre 134-155% más de UFC/cm2ml para S.aureus, y 80-119% para S.epidermidis en la dilución 10-3 vs. forjado). En la microscopía confocal destaca la ausencia de muerte bacteriana después de 48h de cultivo y la mayor colonización de las muestras de fabricación aditiva, al igual que en el FESEM.

[CA] Les infeccions periprostètiques (IPP) són causades per microorganismes que colonitzen pròtesis, sent els principals causants el S.epidermidis i S.aureus. En la literatura científica s'ha abordat la interacció bacteri-substrat en superfícies funcionalitzades de Ti6Al4V, sense estudiar la influència de la seua microestructura, la qual depén del mètode de fabricació emprat (fabricació additiva) o tractament aplicat (forjat). L'objectiu d'aquest estudi és desenvolupar aliatges de Ti6Al4V mitjançant forja, EBM i DMLS i comprovar l'efecte que té la microestructura de cadascuna d'elles en l'adhesió i colonització de bacteris (S.epidermidis i S.aureus). Per a això es van caracteritzar microestructural, mecànica i biològicament mostres de Ti6Al4V de forja, EBM i DMLS mitjançant: difracció de Raigs X, microscòpia òptica, microscòpia electrònica d'escombratge, perfilometría òptica, assaig de duresa i microduresa, assaig de cultiu bacterià i microscòpia confocal de fluorescència. Els resultats mostren un patró de XRD similar entre mostres, amb major presència de Tiα en les de fabricació additiva. La microestructura característica en les mostres de forjat va ser de mill annealing, en EBM i una de DMLS sotmesa a recuita va ser de Windmastätten mentre que en l'altra de DMLS va ser martensítica amb acícules de Tiα’. La rugositat va ser similar entre totes les mostres (>0,5 µm). La microduresa va ser semblant entre mostres, mentre que en la duresa la mostra DMLS recuita va presentar el menor valor. A causa de l'elevada dispersió no es van poder obtindre dades concloents de l'assaig de cultiu, però les mostres de fabricació additiva van presentar una tendència a major colonització, especialment les de DMLS (entre 134-155% més de UFC/cm2ml per a S.aureus, i 80-119% per a S.epidermidis en la dilució 10-3 vs. forjat). En la microscòpia confocal destaca l'absència de mort bacteriana després de 48h de cultiu i la major colonització de les mostres de fabricació additiva, igual que en el FESEM.

[EN] The periprosthesis infections (PPI) are caused by microorganisms that colonize prosthesis, being the main causes the S.epidermidis and S.aureus. Scientific literature has addressed the interaction between bacteria and substrate in functionalized surfaces of Ti6Al4V, without studying the influence of its microstructure, which depends on the manufacturing method used (additive manufacturing) or treatment applied (forging). The aim of this study is to develop Ti6Al4V alloys by means of forging, EBM and DMLS and to check the effect of the microstructure of each one of them has on the adhesion and colonization of bacteria (S.epidermidis and S.aureus). For this purpose, microstructural, mechanical and biological samples of Ti6Al4V from forging, EBM and DMLS were characterized by means of: X-ray diffraction, optical microscopy, scanning electron microscopy, optical profilometry, hardness and microhardness test, bacterial culture test and fluorescence confocal microscopy. The results show a similar XRD pattern among samples, with a higher presence of Tiα in the additive manufacturing ones. The characteristic microstructure in the forging samples was of mill annealing, in EBM and one of DMLS submitted to annealing was of Windmastätten while in the other of DMLS it was martensitic with Tiα' needles. The roughness was similar among all samples (>0.5 µm). The microhardness was similar among samples, while in hardness the annealed DMLS sample presented the lowest value. Due to the high dispersion, it was not possible to obtain conclusive data from the culture test, but the samples of additive manufacture showed a tendency to higher colonization, especially those of DMLS (between 134-155% more CFU/cm2ml for S.aureus, and 80-119% for S.epidermidis in the 10-3 vs. forged dilution). In confocal microscopy, the absence of bacterial death after 48h of culture and the greater colonization of the samples of additive manufacture stand out, as in the FESEM.