In-vivo and ex-vivo evaluation of bio-inspired structures fabricated via PBF-LB for biomedical applications

Abstract

Titanium-based lattice structures have gained significant attention in biomedical engineering due to their potential to mimic bone-like behavior and improve implant performance. This study evaluates the performance of bio-inspired Ti64 TPMS Gyroyd and Stochastic lattice structures fabricated via Powder Bed Fusion-Laser Beam (PBF-LB), focusing on their in-vivo and ex-vivo mechanical and biological responses for biomedical applications. Utilizing an SLM 280 HL printer, samples exhibited notable geometric accuracy essential for mechanical integrity. The study highlights significant mechanical properties and geometric precision improvements achieved through chemical etching. Mechanical characterization revealed that the as-built Gyroid lattice had the highest elastic modulus (3.64 GPa) and yield strength (200.65 MPa), which improved post-etching (3.62 GPa and 219.35 MPa, respectively). The Stochastic lattice demonstrated lower yield strength values post-etching (169.81 MPa). In-vivo analyses in horse models, both structures demonstrated excellent biocompatibility and osseoin-tegration with no adverse inflammatory responses. Ex-vivo push-out tests showed that the chemically etched Gyroid structure achieved the highest resistance to push-out force (1645.407 N) and most significant displacement (2.754 mm), indicating superior energy absorption (4920.425 mJ). These findings underscore the critical influence of microstructural design and surface treatments on implant functionality, offering novel insights into improving biomedical implant performance through lattice architecture and post-processing.Las estructuras reticulares basadas en titanio han despertado un gran interés en la ingeniería biomédica debido a su potencial para imitar el comportamiento óseo y mejorar el rendimiento de los implantes. Este estudio evalúa el rendimiento de las estructuras reticulares bioinspiradas Ti64 TPMS Gyroyd y Stochastic, fabricadas mediante fusión por haz láser en lecho de polvo (PBF-LB), centrándose en sus respuestas mecánicas y biológicas in vivo y ex vivo para aplicaciones biomédicas. Utilizando una impresora SLM 280 HL, las muestras mostraron una notable precisión geométrica, esencial para la integridad mecánica. El estudio destaca las importantes mejoras en las propiedades mecánicas y la precisión geométrica logradas mediante el grabado químico. La caracterización mecánica reveló que la estructura reticular Gyroid tal y como se construyó tenía el módulo de elasticidad más alto (3,64 GPa) y la resistencia al rendimiento más alta (200,65 MPa), que mejoraron tras el grabado (3,62 GPa y 219,35 MPa, respectivamente). La estructura reticular Stochastic mostró valores de resistencia al rendimiento más bajos tras el grabado (169,81 MPa). En los análisis in vivo en modelos equinos, ambas estructuras demostraron una excelente biocompatibilidad e osteointegración sin respuestas inflamatorias adversas. Las pruebas de empuje ex vivo mostraron que la estructura giroide grabada químicamente alcanzó la mayor resistencia a la fuerza de empuje (1645,407 N) y el desplazamiento más significativo (2,754 mm), lo que indica una absorción de energía superior (4920,425 mJ). Estos hallazgos subrayan la influencia crítica del diseño microestructural y los tratamientos superficiales en la funcionalidad de los implantes, y ofrecen nuevos conocimientos para mejorar el rendimiento de los implantes biomédicos mediante la arquitectura de celosía y el posprocesamiento.