[Translated article] Mechanical resistance of polylactic acid bone matrices developed by 3D printing for the reconstruction of bone defects

Abstract

Introduction: Bone defects are one of the main limitations in orthopaedic surgery and traumatology. For this reason, multiple bone replacement systems have been developed, either by prosthetic implant or by substitution with osteoforming substances, whose limitations are their survival and lack of structurality, respectively. The objective of this work is the generation of a new material for the creation of biologically active structures that have sufficient tensile strength to maintain the structure during remodelling. Material and methods: A new filament based on the fusion of natural polylactide acid (PLA) powder was designed for the generation of pieces by means of fused deposition modelling (FDM) on which to carry out tensile mechanical tests of osteosynthesis material. A total of 13 groups with different cortical thickness, filling and layer height were carried out, with 10 tensile tests in each group, defining the tensile breaking limit for each group. The regression lines for each group and their mechanical resistance to traction on the filament used were determined. Results: The filament ratio per contact surface unit with the osteosynthesis used was the main determinant of the mechanical resistance to traction, either at the expense of the increase in cortical thickness or by the increase in the percentage of cancellous bone filling. Layer height had a minor effect on tensile strength. The regression value was high for cortical thickness and cancellous filling, being elements with a predictable biomechanical behaviour. Conclusions: The new methodology allows the creation of personalised neutral and implantable PLA bone matrices for the reconstruction of large bone defects by means of 3D printing by FDM with a mechanical resistance to traction greater than that of current biological support structures. Resumen: Introducción: Los defectos óseos son una de las principales limitaciones en cirugía ortopédica y traumatología. Por ello, se han desarrollado múltiples sistemas de sustitución ósea, ya sea mediante implante protésico o mediante sustitución con sustancias osteoformadoras, cuyas limitaciones son su supervivencia y falta de estructuralidad, respectivamente. El objetivo del presente trabajo es la generación de un nuevo material para la creación de estructuras biológicamente activas que dispongan de la resistencia a la tracción suficiente como para mantener la estructura durante la remodelación. Material y métodos: Se diseñó un nuevo filamento basado en la fusión de ácido poliláctico (PLA) natural en polvo para la generación de piezas mediante el modelado por deposición fundida (FDM) sobre las que se realizaron ensayos mecánicos a tracción de material de osteosíntesis. Se analizaron un total de 13 grupos con distinto grosor cortical, relleno y altura de capa, con 10 ensayos de tracción en cada grupo, definiendo el límite de rotura a la tracción para cada grupo. Se determinaron las rectas de regresión para cada grupo y su resistencia mecánica a la tracción sobre el filamento empleado. Resultados: El ratio de filamento por unidad de superficie de contacto con la osteosíntesis empleada fue el principal determinante de la resistencia mecánica a la tracción, ya sea a expensas del aumento del grosor cortical o por el aumento en el porcentaje de relleno del hueso esponjoso. La altura de capa tuvo un efecto menor sobre la resistencia a la tracción. El valor de regresión fue alto para el grosor cortical y el relleno de esponjosa, siendo elementos con un comportamiento biomecánico predecible. Conclusiones: La nueva metodología permite crear matrices óseas personalizadas de PLA neutro implantable para la reconstrucción de grandes defectos óseos mediante impresión 3D por FDM con una resistencia mecánica a la tracción mayor a la de estructuras biológicas de soporte actuales.

Keywords

• Impresión 3D
• Defectos óseos
• Matrices óseas
• Reconstrucción ósea
• Modelos 3D