Diseño y evaluación de un sistema de fijación basado en estructuras triplemente periódicas con mínima superficie para el tratamiento de defectos óseos de grandes dimensiones

Abstract

[ES] Los defectos óseos de gran tamaño debido a fracturas graves son difícilmente curables con métodos tradicionales de fijación. Una de las terapias actuales para la reparación de este tipo de daño son los andamios óseos, que se utilizan para mantener la integridad estructural del hueso dañado y permitir su fijación y crecimiento. En este TFM se diseñarán alternativas de andamios óseos basados en estructuras triplemente periódicas con mínima superficie (TPMS). También se evalúa el uso de dos materiales para la fabricación de los prototipos: ácido poliláctico (PLA) convencional y PLA reforzado con nanofibras de celulosa. El proyecto incluye el diseño y la fabricación de prototipos, la síntesis de materiales poliméricos reforzados, la experimentación y el análisis numérico mediante elementos finitos. Tras realizar los ensayos y simulaciones pertinentes, se obtienen dos estructuras, una convencional giroide y una innovadora llamada AAC. Esta última presenta mayor resistencia a la compresión y mayor módulo de elasticidad aparente a compresión que las estructuras básicas giroides. Además, a lo largo del proyecto se analizan los patrones de fallo y deformación para conocer el comportamiento de las estructuras TPMS bajo carga y detectar las regiones donde la concentración de tensiones es mayor. Por último, gracias a la realización de ensayos mecánicos a compresión, se obtienen los parámetros de límite de fluencia, deformación y carga máxima para posteriormente graficarlos y analizar su patrón de tensión-deformación. Por otro lado, respecto a la síntesis del material polimérico se obtuvieron resultados favorables en cuanto a la resistencia a la tracción, consiguiendo un aumento considerable de la misma en los nanocompuestos. Los resultados indican que el porcentaje de nanocristales de celulosa debe situarse entre un 1 y un 3 % para producir un aumento del módulo de Young y de las propiedades resistentes del PLA.

[EN] Large bone defects due to severe fractures are difficult to cure with traditional fixation methods. One of the current therapies for the repair of this type of damage is bone scaffolds, which are used to maintain the structural integrity of the damaged bone and allow it to be fixed and grow. In this Master´s Thesis, bone scaffolding alternatives will be designed based on triple-periodic structures with minimum surface area (TPMS). The use of two materials for the manufacture of the prototypes is also being evaluated: conventional polylactic acid (PLA) and PLA reinforced with cellulose nanofibers. The project includes the design and manufacture of prototypes, the synthesis of reinforced polymeric materials, experimentation and numerical analysis using finite elements. After carrying out the relevant tests and simulations, two structures are obtained, a conventional gyroid and an innovative one called AAC. The latter has higher strength and modulus of apparent elasticity at compression than the basic gyroid structures. In addition, throughout the project, failure and deformation patterns are analysed to know the behaviour of TPMS structures under load and to detect the regions where the concentration of stresses is higher. Finally, thanks to the performance of mechanical compression tests, the parameters of yield limit, deformation and maximum load are obtained to later graph them and analyze their stress-strain pattern. On the other hand, regarding the synthesis of the polymeric material, favorable results were obtained in terms of tensile strength, achieving a considerable increase in it in the nanocomposites. The results indicate that the percentage of cellulose nanocrystals must be between 1 and 3 % to produce an increase in Young's modulus and the resistant properties of PLA.

[CA] Els defectes ossis de gran grandària deguda a fractures greus són difícilment curables amb mètodes tradicionals de fixació. Una de les teràpies actuals per a la reparació d'esta mena de mal són les bastides òssies, que s'utilitzen per a mantindre la integritat estructural de l'os danyat i permetre la seua fixació i creixement. En este TFM es dissenyaran alternatives de bastides òssies basades en estructures triplement periòdiques amb mínima superfície (TPMS). També s'avalua l'ús de dos materials per a la fabricació dels prototips: àcid polilàctic (PLA) convencional i PLA reforçat amb nanofibres de cel·lulosa. El projecte inclou el disseny i la fabricació de prototips, la síntesi de materials polimèrics reforçats, l'experimentació i l'anàlisi numèrica mitjançant elements finits. Després de realitzar els assajos i simulacions pertinents, s'obtenen dos estructures, una convencional giroide i una innovadora anomenada AAC. Esta última presenta major resistència a la compressió i major mòdul d'elasticitat aparent a compressió que les estructures bàsiques giroides. A més, al llarg del projecte s'analitzen els patrons de fallada i deformació per a conèixer el comportament de les estructures TPMS sota càrrega i detectar les regions on la concentració de tensions és major. Finalment, gràcies a la realització d'assajos mecànics a compressió, s'obtenen els paràmetres de límit de fluència, deformació i càrrega màxima per a posteriorment representar-los i analitzar el seu patró de tensió-deformació. D'altra banda, quant a la síntesi del material polimèric es van obtindre resultats favorables en conte a la resistència a la tracció, aconseguint un augment considerable d'esta en els nanocompostos. Els resultats indiquen que el percentatge de nanocristalls de cel·lulosa ha de situar-se entre un 1 i un 3% per a produir un augment del mòdul de Young i de les propietats resistents del PLA.