Compressive behavior of SLA open-cell lattices: a comparison between triply periodic minimal surface gyroid and stochastic structures for artificial bone

Abstract

This study evaluates the compressive properties of stereolithography (SLA) fabricated open-cell lattices, specifically triply periodic minimal surface (TPMS) gyroid and stochastic structures, for artificial bone applications. Two resins, Standard White and BioMed Amber, were tested across four relative densities (0.2, 0.3, 0.4, 0.5). Mechanical characterization of horse tuber coxae trabecular bone used as a biological comparator showed an average elastic modulus of 0.05 GPa and a yield strength of 3.369 MPa. Gyroid structures exhibited higher elastic modulus and yield strengths, with BioMed Amber gyroid at a density of 0.5, achieving an elastic modulus of 0.623 GPa and yield strength of 14.149 MPa. Stochastic structures showed lower and more variable mechanical properties. The highest yield strength for stochastic structures was observed in BioMed Amber at a density of 0.5 (14.199 MPa). Comparative analysis indicated that high-performing synthetic structures approach the lower bounds of natural bone properties. Using a field-driven design approach, variable relative density structures were developed to emulate the mechanical properties of natural bone. SEM analysis provided insights into failure mechanisms, highlighting the impact of relative density on structural integrity and material ductility. This research supports the development of 3D-printed bone-like structures as viable substitutes for cadaveric specimens in preclinical tests, with implications for material science and orthopedic applications.Este estudio evalúa las propiedades compresivas de las estructuras reticulares de celda abierta fabricadas mediante estereolitografía (SLA), concretamente estructuras giroides y estocásticas de superficie mínima triperiódica (TPMS), para aplicaciones en huesos artificiales. Se probaron dos resinas, Standard White y BioMed Amber, en cuatro densidades relativas (0,2; 0,3; 0,4 y 0,5). La caracterización mecánica del hueso trabecular de la coxa de un caballo, utilizado como comparador biológico, mostró un módulo de elasticidad medio de 0,05 GPa y una resistencia al rendimiento de 3,369 MPa. Las estructuras giroides mostraron un módulo de elasticidad y una resistencia al rendimiento más altos, con el giroide BioMed Amber a una densidad de 0,5, que alcanzó un módulo de elasticidad de 0,623 GPa y una resistencia al rendimiento de 14,149 MPa. Las estructuras estocásticas mostraron propiedades mecánicas más bajas y variables. La resistencia al rendimiento más alta para las estructuras estocásticas se observó en BioMed Amber con una densidad de 0,5 (14,199 MPa). El análisis comparativo indicó que las estructuras sintéticas de alto rendimiento se acercan a los límites inferiores de las propiedades del hueso natural. Utilizando un enfoque de diseño basado en el campo, se desarrollaron estructuras de densidad relativa variable para emular las propiedades mecánicas del hueso natural. El análisis SEM proporcionó información sobre los mecanismos de fallo, destacando el impacto de la densidad relativa en la integridad estructural y la ductilidad del material. Esta investigación respalda el desarrollo de estructuras similares al hueso impresas en 3D como sustitutos viables de las muestras cadavéricas en ensayos preclínicos, con implicaciones para la ciencia de los materiales y las aplicaciones ortopédicas.