Abstract Polymeric scaffolds can be fabricated as microfilaments to replicate the mechanical characteristics and biological configuration of skeletal muscles and tendons. The microfilaments used in this research were fabricated from polycaprolactone (PCL) pellets by extrusion and a spooling system without using solvents. Their mechanical properties were investigated by applying monotonic and dynamic loads on aligned grouped microfilaments using a customized grip adapter. The fabrication method was simple and produced a homogeneous microfilament with a 90 ± 3 µm diameter. The monotonic tests showed the elasticity of the microfilaments was E = 1863 ± 590 MPa, and their yield strength was σy = 242 ± 45 MPa. The dynamic load test results showed that PCL microfilaments resisted periodic loads for 5.3×105 cycles, retaining a maximum deformation of 55%. The fabricated microfilament has the potential to be used as a biomimetic polymeric scaffold suitable for mechanical stimulation because of its outstanding mechanical behavior during dynamic loading conditions.

Resumen El objetivo principal de este trabajo fue la fabricación de filamentos de alcohol polivinílico (PVA) y policaprolactona (PCL) para ser usados en impresión 3D con tecnología de modelado por deposición fundida de filamentos (FDM). El estudio se orientó primeramente en fabricar los filamentos de estos biopolímeros por extrusión y posteriormente estos se reforzaron internamente con hidroxiapatita (HAp) para así mejorar sus propiedades mecánicas. Previo al proceso de manufactura, el PVA, PCL y HAp se caracterizaron usando difracción de rayos-X para evidenciar el grado de ordenamiento cristalográfico de las cadenas poliméricas. La espectroscopia infrarroja se usó para observar los grupos funcionales presentes en estos polímeros y consecuentemente su posible influencia durante el procesamiento por extrusión. Análisis térmicos fueron vitales para establecer las condiciones de manufactura incluyendo la temperatura de fusión y degradación de estos polímeros y HAp. Finalmente, los filamentos fueron analizados por microscopia electrónica. Este estudio permitió evidenciar los retos aun existentes en la manufactura de implantes por medio de impresión 3D usando biopolímeros. Los resultados obtenidos demuestran que atención cuidadosa debe brindarse a la obtención de los filamentos de estos biomateriales para desarrollar futuramente implantes funcionales y personalizados.

Abstract The aim of this work was the manufacturing of polyvinyl alcohol (PVA) and polycaprolactone (PCL) filaments to be used in 3D printing with Fused Deposition Modeling (FDM) technology. This study was first oriented in the fabrication of filaments with these biopolymers by using extrusion and then in the internal reinforcement of the filaments with hydroxyapatite (HAp) in order to improve their mechanical properties. Previous to the manufacturing process, PVA, PCL and HAp were characterized by using X-ray diffraction to observe the crystallographic order of the polymeric chains. The infrared spectroscopy was used to analyze the functional groups that are present in these biopolymers and consequently their possible influence during the extrusion. Thermal analysis were vitals in order to stablish the manufacturing conditions including the melting point and degradation temperature of the tested materials. This study showed the challenges of the implant manufacturing by using 3D printing with biopolymers. The obtained results evidence that attention should be placed in the fabrication of biopolymeric filaments for future development of functional and personalized implants.

Resumen En este trabajo se analizaron probetas TEM (Microscopía Electrónica de Transmisión, por sus siglas en ingles) de materiales usados en aplicaciones aeronáuticas. El principal objetivo de este proyecto fue estudiar los defectos intercristalinos presentes en la superaleación Nimonic 80A luego de ser tratada térmicamente y posteriormente someter las probetas a esfuerzos cíclicos. Las probetas TEM fueron probadas previamente bajo fatiga de alta frecuencia (1 000 Hz y 20 000 Hz) en la Universidad de Siegen en Alemania, simulando las condiciones de trabajo de esta aleación en turbinas de avión o en otros tipo de aplicaciones aeronáuticas. Este tipo de esfuerzo mecánico genera muchas deformaciones y defectos nanométricos en este material, que se evidencian por medio de dislocaciones. Estos defectos solo se pueden observar empleando técnicas de microscopía muy potentes, como la TEM. Los resultados obtenidos del análisis TEM revelan precipitados característicos en la muestra de Nimonic 80A al ser sometida a tratamientos térmicos. Además, esta aleación evidencia la formación de dislocaciones producto de los esfuerzos mecánicos que sufrieron estas probetas. Finalmente, se logró evidenciar la influencia de las precipitaciones en el mecanismo de formación, agrupamiento y movimiento de las dislocaciones en la microestructura de las muestras utilizadas.

Abstract In this work, TEM (Transmission Electron Microscope) samples of materials used in aeronautic applications were analyze. The main objective of this project was to study intercrystalline defects in Nimonic 80A superalloy after the heat treatment and fatigue testing of the samples. The samples were prepared for the TEM analysis in University of Siegen, Germany after they were test in very high cyclic loading conditions (1000 Hz y 20 000 Hz). These tests were performed because they simulate very closely the work conditions that these alloys must support in turbine and others aeronautic applications. The mechanical stresses generated in these kind of applications will develop many deformations and nanometric defects in this material. They are evidenced by the dislocations formation. The dislocations are possible to observe only by using very powerful microscopy technics such as Transmission Electron Microscope. The results obtained by the TEM analysis show that after the heat treatment, the samples developed very distinctive precipitations in the Nimonic 80A samples. Additionally, after the mechanical testing these samples shows the formation of representative kind of dislocations. Finally, this work shows the influence of the precipitations under the formations, stacking and movement of the dislocations in the microstructure of the tested samples.