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Skoltech:开发3D打印个性化陶瓷骨植入物的新方法

2020年11月20日,南极熊获悉,Skolovo科学技术学院(Skoltech)的科学家们开发了一种3D打印个性化陶瓷骨植入物的新方法。

△植入物是多孔结构,可以调整以适应个别患者的需求,图片来自Skoltech公司的Pavel Odinev

团队采用基于仿真的方法来创建灵活,无缺陷的3D模型,这将为增材制造植入物提供基础。研究人员对这些设计进行了优化,使其具有较大的孔,可以根据特定患者的需要进行定制,并使它们更容易与有机组织融合。

论文的合著者之一埃夫根尼·马尔察夫(Evgenii Maltsev)表示:“微观结构的Functional representation (FRep) 功能建模具有很多优势,FRep始终保证所生成的模型是正确的,这与CAD系统中传统的多边形表示相反,在传统的多边形表示中,模型可能会出现裂纹或面不相交。

发挥陶瓷的潜力 

陶瓷具有许多特性,如耐磨性和化学稳定性,成为从工具到牙科产品3D打印的理想选择。虽然增材制造也已在植入物应用中被采用,但陶瓷在这一领域的应用较少,通常首选含细胞的聚合物和合金。

例如,代尔夫特理工大学的研究人员已经开发了基于镁的再生支架,而柏林Charité大学的一项研究发现,钛是最佳材料基础。来自长崎大学和佐贺大学的日本科学家,已经创造了一种完全没有生物支架的3D管状气管结构。

与此同时,Skoltech的科学家们确定了孔隙度对手术后细胞增殖至关重要,并将 "最佳孔隙尺寸 "缩小到了390至590微米之间。事实证明,使用现有的原料很难达到这一水平,因为它们的低孔隙率阻碍了组织、血管和其他营养管道的生长。

目前,发泡添加剂被用来克服这些限制,但团队理论上认为,3D打印将为创建大孔结构提供更好的平台。鉴于快速成型制造可以生产具有可控孔隙率的部件,这项技术具有打印可定制结构的植入物的潜力。

△研究团队使用SLA机器对陶瓷植入物进行3D打印,然后进行脱脂和烧结步骤,图片来自《应用科学》杂志

FRep优化3D打印方法

为了开发快速个性化骨移植入物制造方法,科学家采用了FRep建模方法。从本质上讲,FRep采用了更加隐式的建模方法,允许复制具有多孔和不规则微结构的复杂形状。

与基于CAD的模型相比,团队发现FRep输出了准确无误的设计,并且适应性更强。为了测试他们的模型在最终使用条件下的性能,科学家使用了SLA打印机来固化由多组分粘合剂和陶瓷粉末组成的材料。

打印之后,把毛坯零件在熔炉中加热以去除塑料粘合剂,并烧结成具有预定特性的最终形状。然后,团队使用SEM显微镜和各种机械应力测试对所得的圆柱形试样进行评估。

在轴向压缩下,3D打印的植入物显示出400 MPa的强度,而SEM图像显示的孔径范围为440至700 μm(在团队的公差范围内)。  

考虑到他们的植入物显示出与小梁骨相同水平的抗压强度,科学家认为他们的方法是成功的。小组打算在将来优化他们的打印方法,并且出于这个目的,已经将其中的十个原型发送到了动物测试机构。

研究人员在题为“Design and Fabrication of Complex-Shaped Ceramic Bone Implants via 3D Printing Based on Laser Stereolithography.” 的论文中进行了详细介绍。这项研究是由Alexander Safonov,Evgenii Maltsev,Svyatoslav Chugunov,Andrey Tikhonov,Stepan KonevOrcID,Stanislav Evlashin,Dmitry Popov,Alexander Pasko和Iskander Akhatov合著。


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