Autor: ZAPATA MARTÍNEZ, Rodrigo

Título: Design and additive manufacturing strategies for NiTi-based biomedical prototypes

Fecha: 2025

Materia: ---

Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES

Departamento: INGENIERIA MECANICA

Acceso electrónico: https://oa.upm.es/90900/

Director/a(s):

• Director/a: DÍAZ LANTADA, Andrés

Resumen: Additive manufacturing (AM) technologies have revolutionized numerous industries, with the biomedical field being one of the most impacted. The ability to fabricate personalized devices with complex geometriespreviously unattainable through conventional methodshas led to major advances, particularly in implants and medical devices that dynamically interact with the human body. These innovations address challenges in minimally invasive procedures, personalized therapies, and improved clinical outcomes. Shape memory alloys (SMAs), particularly nitinol (NiTi), composed of nickel and titanium, have become essential in biomedicine due to their ability to recover original shape and exhibit superelasticity. These properties make NiTi an ideal material for devices like cardiovascular stents and orthopedic prostheses that must adapt to physiological stimuli. However, fabricating NiTi biomedical devices through AM presents technical challenges. It is crucial to control the microstructure and functional properties during fabrication to ensure performance under real-world conditions, especially for patient-specific geometries. AM enables precise control over geometry and material behavior, making it suitable for NiTi devices. Nevertheless, processing this material requires strict parameter control and advanced post-processing strategies to ensure functionality and durability. This thesis proposes a comprehensive approach to the fabrication of personalized biomedical devices using NiTi through advanced AM technologies, integrating computer-aided design (CAD) and finite element modeling (FEM) tools to predict and optimize performance prior to fabrication. Three AM technologies are studied: Laser Powder Bed Fusion (LPBF), Lithography-Based Metal Manufacturing (LMM), and Direct Energy Deposition (DED). LPBF enables high-precision complex geometries, ideal for personalized devices. LMM excels in microscale resolution for microimplants, and DED is well-suited for larger devices such as orthopedic prostheses. Another key objective is to improve surface quality and biocompatibility. Post-processing techniques such as chemical etching, electropolishing, and machining are evaluated. These reduce surface roughness, lower infection risk, improve fatigue resistance, and ensure high dimensional accuracy. Electropolishing and chemical etching enhance tissue integration and long-term performance. Machining corrects imperfections without compromising functional properties. Experimental results show that LPBF is effective in producing complex NiTi devices with controlled mechanical and geometric properties. FEM simulations optimize design and prevent structural failure. LMM is suitable for microscale devices, though thermal treatment is required to improve durability. DED allows the creation of large-volume components with mechanical strength and customization. This thesis demonstrates that AM of personalized NiTi biomedical devices is feasible and promising for advancing personalized medicine. The technologies studied offer adaptability and mechanical performance for a range of applications. The iMPLANTS-CM project emphasizes the value of interdisciplinary collaboration in developing intelligent implants, laying the groundwork for the next generation of adaptive medical solutions. RESUMEN Las tecnologías de fabricación aditiva (FA) han revolucionado numerosas industrias, siendo el ámbito biomédico uno de los más impactados. La capacidad de fabricar dispositivos personalizados con geometrías complejas, antes inalcanzables mediante métodos convencionales, ha permitido avances significativos, especialmente en implantes y dispositivos médicos que interactúan dinámicamente con el cuerpo humano. Estas innovaciones permiten abordar desafíos relacionados con procedimientos mínimamente invasivos, terapias personalizadas y mejores resultados clínicos. Las aleaciones con memoria de forma (AMF), en particular el nitinol (NiTi), compuesto de níquel y titanio, han ganado protagonismo en biomedicina por su capacidad de recuperar su forma original y su superelasticidad. Estas propiedades hacen del NiTi un material ideal para dispositivos como stents cardiovasculares y prótesis ortopédicas que deben adaptarse a estímulos fisiológicos. Sin embargo, la fabricación de dispositivos biomédicos en NiTi mediante FA presenta desafíos técnicos. Es crucial controlar la microestructura y las propiedades funcionales durante el proceso para garantizar el rendimiento en condiciones reales, especialmente en dispositivos con geometrías personalizadas. La FA permite un control preciso sobre la geometría y el comportamiento del material, lo que la convierte en una opción adecuada para dispositivos en NiTi. No obstante, el procesamiento de este material requiere un estricto control de los parámetros y estrategias de postprocesado avanzadas para asegurar su funcionalidad y durabilidad. Esta tesis propone un enfoque integral para la fabricación de dispositivos biomédicos personalizados utilizando NiTi mediante tecnologías avanzadas de FA, integrando herramientas de diseño asistido por computadora (CAD) y simulaciones por elementos finitos (FEM) para predecir y optimizar el comportamiento antes de la fabricación. Se estudian tres tecnologías de FA: Fusión por Láser en Lecho de Polvo (LPBF), Fabricación Metálica Basada en Litografía (LMM) y Deposición Directa de Energía (DED). LPBF permite fabricar geometrías complejas con alta precisión, adecuada para dispositivos personalizados. LMM destaca por su resolución para dispositivos a microescala, y DED es adecuada para dispositivos de mayor tamaño como prótesis ortopédicas. Otro objetivo clave es mejorar la calidad superficial y la biocompatibilidad de los dispositivos. Se evalúan técnicas de postprocesado como el pulido químico, el electropulido y el mecanizado. Estas técnicas reducen la rugosidad superficial, disminuyen el riesgo de infecciones, mejoran la resistencia a la fatiga y garantizan una alta precisión dimensional. El electropulido y el ataque químico favorecen la integración tisular y el rendimiento a largo plazo. El mecanizado permite corregir imperfecciones sin comprometer las propiedades funcionales. Los resultados experimentales demuestran que LPBF es eficaz para fabricar dispositivos complejos en NiTi, con control sobre propiedades mecánicas y geométricas. Las simulaciones FEM permiten optimizar el diseño mecánico y evitar fallos estructurales. LMM es adecuada para dispositivos microestructurales, aunque requiere tratamientos térmicos para mejorar su durabilidad. DED permite fabricar componentes de gran volumen con buena resistencia mecánica y personalización. Esta tesis demuestra que la fabricación aditiva de dispositivos biomédicos personalizados en NiTi es viable y prometedora para avanzar en medicina personalizada. Las tecnologías analizadas ofrecen gran adaptabilidad y resistencia mecánica en diversas aplicaciones. El proyecto iMPLANTS-CM destaca la importancia de la colaboración interdisciplinaria para el desarrollo de implantes inteligentes, sentando las bases para una nueva generación de soluciones médicas avanzadas y adaptativas.