SKOLTECH科學家開發了3D打印個性化陶瓷骨植入物的新方法

魔猴君  行業資訊   1709天前

Skolovo科學技術學院（Skoltech）的科學家們開發了一種3D打印個性化陶瓷骨植入物的新穎方法。在他們的研究中，該團隊采用了基于仿真的方法來創建靈活，無缺陷的3D模型，這將為其添加植入物提供基礎。研究人員對這些設計進行了優化，可以根據特定患者的需要對其進行定制，并使它們更容易與有機組織融合。

該論文的合著者之一埃夫根尼·馬爾察夫（Evgenii Maltsev）表示：“微觀結構的功能表示（FRep）建模具有很多優勢。FRep始終保證所生成的模型是正確的，這與CAD系統中傳統的多邊形表示相反，在傳統的多邊形表示中，模型可能會出現裂紋或面不相交。”

這些團隊的植入物具有多孔結構，可以根據個人患者的需要進行調整。圖片來自Skoltech，Pavel Odinev。

利用陶瓷的潛力

陶瓷具有許多特性，例如耐磨性和化學穩定性，使其成為從工具到牙科產品的3D打印的理想選擇。盡管如此，盡管在植入應用中也已經采用了增材制造技術，但在該領域使用陶瓷的頻率卻較低，通常使用富含細胞的聚合物和合金。例如，荷蘭代爾夫特理工大學的研究人員已經開發出了基于鎂的可再生支架，而柏林Charité-Universit?tsmedizin的一項研究發現，鈦是最佳的材料基礎。在其他地方，長崎大學和佐賀大學的日本科學家創造了一種完全沒有生物支架的3D管狀氣管結構，據中國3D打印網了解，Skoltech科學家發現孔隙率對手術后細胞的增殖至關重要，并將“最佳孔徑”縮小到390至590 μm。使用現有的原料很難達到這樣的精度，因為它們的低孔隙度會阻礙組織，血管和其他營養通道的生長。

目前，使用發泡和燒盡添加劑來克服這些限制，但該團隊認為3D打印將提供一個更好的平臺來創建大孔結構。考慮到增材制造可以生產出具有可控孔隙率的零件，該技術具有打印具有定制結構的可定制植入物的潛力。

研究團隊使用SLA機器對陶瓷植入物進行3D打印（如圖所示），然后進行脫脂和燒結步驟。

圖片來自《應用科學》雜志。

團隊的FRep優化3D打印方法

為了開發允許用戶快速個性化每個骨移植物的植入物制造方法，科學家采用了FRep建模方法。從本質上講，FRep采用了更加隱式的建模方法，該方法允許它復制具有多孔，多孔和不規則微結構的復雜形狀。與基于CAD的模型相比，該團隊發現FRep產生了準確無誤的設計，并且適應性更強。為了測試他們的模型在最終使用條件下的性能，科學家使用了SLA打印機來固化由多組分粘合劑和陶瓷粉末組成的糊劑。

印刷后，將“綠色”零件在熔爐中加熱以去除塑料粘合劑，并使用SLS系統將其燒結成具有預定特性的最終形狀。然后，團隊使用SEM顯微鏡和各種機械應力測試對所得的圓柱形試樣進行評估。在軸向壓縮下，3D打印的植入物顯示出400 MPa的強度，而SEM圖像顯示的孔徑范圍為440至700 μm（在團隊的公差范圍內）。盡管尺寸為4（D）x 9.5mm（W）的樣品證明是自支撐的，但在早期設計過程中確實需要少量的材料增強。

考慮到他們的植入物顯示出與小梁骨相同水平的抗壓強度，科學家認為他們的方法是成功的。該小組打算在將來優化他們的打印方法，并且出于這個目的，已經將其中的十個原型發送到了動物測試機構。

陶瓷添加劑應用的增長

不僅在醫療行業，而且在電子和牙科領域，越來越多地將陶瓷用于具有增強性能的3D打印部件。材料噴射專家XJet與牙科公司Straumann合作，以提高其機器制造牙科產品的能力。通過使用XJet系統和陶瓷原料，Straumann的目標是減少花費在時間密集型后處理任務上的時間。

法國陶瓷技術轉讓中心已將nScrypt的工廠之一安裝在工具（FiT）機器中，作為3D打印電子產品的一種手段。利用他們的新系統，該團隊現在能夠在各種基板上保形地3D打印精細導線。

在其他地方，德國陶瓷增材制造公司StoneFlower3D開發了一種新的打印頭，用于在3D打印過程中處理粘土，混凝土和漿料。該設備旨在為臺式機用戶提供一種更容易獲得的陶瓷產品制造方法。

來源：https://www.3ddayin.net/xinwenpindao/guowaikuaidi/39807.html