科學(xué)家開發(fā)了3D打印個性化陶瓷骨植入物的新方法

2020年11月20日，南極熊獲悉，Skolovo科學(xué)技術(shù)學(xué)院（Skoltech）的科學(xué)家們開發(fā)了一種3D打印個性化陶瓷骨植入物的新方法。

團(tuán)隊采用基于仿真的方法來創(chuàng)建靈活，無缺陷的3D模型，這將為增材制造植入物提供基礎(chǔ)。研究人員對這些設(shè)計進(jìn)行了優(yōu)化，使其具有較大的孔，可以根據(jù)特定患者的需要進(jìn)行定制，并使它們更容易與有機(jī)組織融合。

論文的合著者之一埃夫根尼·馬爾察夫（Evgenii Maltsev）表示：“微觀結(jié)構(gòu)的Functional representation (FRep) 功能建模具有很多優(yōu)勢，F(xiàn)Rep始終保證所生成的模型是正確的，這與CAD系統(tǒng)中傳統(tǒng)的多邊形表示相反，在傳統(tǒng)的多邊形表示中，模型可能會出現(xiàn)裂紋或面不相交�！�

△團(tuán)隊的植入物的特點是多孔結(jié)構(gòu)，可以調(diào)整以適應(yīng)個別患者的需求，圖片來自Skoltech公司的Pavel Odinev

發(fā)揮陶瓷的潛力

陶瓷具有許多特性，如耐磨性和化學(xué)穩(wěn)定性，成為從工具到牙科產(chǎn)品3D打印的理想選擇。雖然增材制造也已在植入物應(yīng)用中被采用，但陶瓷在這一領(lǐng)域的應(yīng)用較少，通常首選含細(xì)胞的聚合物和合金。

例如，代爾夫特理工大學(xué)的研究人員已經(jīng)開發(fā)了基于鎂的再生支架，而柏林Charité大學(xué)的一項研究發(fā)現(xiàn)，鈦是最佳材料基礎(chǔ)。來自長崎大學(xué)和佐賀大學(xué)的日本科學(xué)家，已經(jīng)創(chuàng)造了一種完全沒有生物支架的3D管狀氣管結(jié)構(gòu)。

與此同時，Skoltech的科學(xué)家們確定了孔隙度對手術(shù)后細(xì)胞增殖至關(guān)重要，并將 "最佳孔隙尺寸 "縮小到了390至590微米之間。事實證明，使用現(xiàn)有的原料很難達(dá)到這一水平，因為它們的低孔隙率阻礙了組織、血管和其他營養(yǎng)管道的生長。

目前，發(fā)泡添加劑被用來克服這些限制，但團(tuán)隊理論上認(rèn)為，3D打印將為創(chuàng)建大孔結(jié)構(gòu)提供更好的平臺。鑒于快速成型制造可以生產(chǎn)具有可控孔隙率的部件，這項技術(shù)具有打印可定制結(jié)構(gòu)的植入物的潛力。

△研究團(tuán)隊使用SLA機(jī)器對陶瓷植入物進(jìn)行3D打印，然后進(jìn)行脫脂和燒結(jié)步驟，圖片來自《應(yīng)用科學(xué)》雜志

團(tuán)隊的FRep優(yōu)化3D打印方法

為了開發(fā)快速個性化骨移植入物制造方法，科學(xué)家采用了FRep建模方法。從本質(zhì)上講，F(xiàn)Rep采用了更加隱式的建模方法，允許復(fù)制具有多孔和不規(guī)則微結(jié)構(gòu)的復(fù)雜形狀。

與基于CAD的模型相比，團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)FRep輸出了準(zhǔn)確無誤的設(shè)計，并且適應(yīng)性更強(qiáng)。為了測試他們的模型在最終使用條件下的性能，科學(xué)家使用了SLA打印機(jī)來固化由多組分粘合劑和陶瓷粉末組成的材料。

打印之后，把毛坯零件在熔爐中加熱以去除塑料粘合劑，并燒結(jié)成具有預(yù)定特性的最終形狀。然后，團(tuán)隊使用SEM顯微鏡和各種機(jī)械應(yīng)力測試對所得的圓柱形試樣進(jìn)行評估。

在軸向壓縮下，3D打印的植入物顯示出400 MPa的強(qiáng)度，而SEM圖像顯示的孔徑范圍為440至700 μm（在團(tuán)隊的公差范圍內(nèi)）。

考慮到他們的植入物顯示出與小梁骨相同水平的抗壓強(qiáng)度，科學(xué)家認(rèn)為他們的方法是成功的。小組打算在將來優(yōu)化他們的打印方法，并且出于這個目的，已經(jīng)將其中的十個原型發(fā)送到了動物測試機(jī)構(gòu)。

研究人員在題為“Design and Fabrication of Complex-Shaped Ceramic Bone Implants via 3D Printing Based on Laser Stereolithography.” 的論文中進(jìn)行了詳細(xì)介紹。這項研究是由Alexander Safonov，Evgenii Maltsev，Svyatoslav Chugunov，Andrey Tikhonov，Stepan KonevOrcID，Stanislav Evlashin，Dmitry Popov，Alexander Pasko和Iskander Akhatov合著。


編譯自：3dprintingindustry