Skoltech基于SLA打印陶瓷骨植入物

來源： 江蘇激光聯(lián)盟

據(jù)悉，Skoltech的設(shè)計、制造和材料中心（Center for Design, Manufacturing, and Materials, CDMM）的科學家們開發(fā)了一種設(shè)計和制造具有可控多孔結(jié)構(gòu)的復雜形狀的陶瓷骨植入物的方法，該方法大大提高了組織融合效率。他們的研究成果9月發(fā)表在《應用科學》雜志上。

陶瓷材料具有出色的機械性能、高尺寸穩(wěn)定性、高耐磨性和耐腐蝕性以及出色的化學穩(wěn)定性，這使其非常適合通過3D打印技術(shù)定制的骨植入物。3D打印技術(shù)的發(fā)展未來可能解決有效生產(chǎn)任意幾何形狀的定制復雜陶瓷零件的問題。如今，3D打印已用于制造各種用途的復雜形狀的陶瓷零件，例如集成陶瓷鑄模、切削工具、傳感器、結(jié)構(gòu)零件、光子晶體和牙科零件。此外，3D打印用于制造各種用途的陶瓷植入物主要用于替換損壞的骨頭或修復受損的骨組織。可實現(xiàn)受損關(guān)節(jié)替換的軟骨再生3D生物打印

多孔結(jié)構(gòu)（支架）能確保細胞成功增殖，表現(xiàn)出良好的生物相容性和活培養(yǎng)物的粘附性。支架可以具有通過3D打印過程形成的不規(guī)則結(jié)構(gòu)和規(guī)則結(jié)構(gòu)。3D打印允許制造從幾納米到幾米不等尺寸的支架結(jié)構(gòu)而且可以用各種晶胞模型來設(shè)計合成支架，例如立方體，螺旋形，菱形，球狀體等。這些模型使獲得具有不同機械性能和生物活性的材料成為可能。這種支架可用于拼接骨骼和神經(jīng)等軟組織。此類支架中的孔應具有一定的尺寸，以確保組織的有效拼接。在之前澳大利亞新南威爾士大學和上海交通大學的科研團隊聯(lián)合研究了孔徑對骨組織拼接效率的影響，他們使用由Al2O3基材料制成的具有各種孔徑的3D打印支架，最終結(jié)果表示骨組織增殖的最佳孔徑顯示為390至590μm。

氧化鋁基陶瓷是具有生物惰性和抗性的材料。高抗壓強度和耐磨性使這些材料成為口腔醫(yī)學和髖關(guān)節(jié)外科手術(shù)的理想選擇材料。陶瓷零件是在高溫（1600-1700°C）下燒結(jié)制成的，殘留孔隙率約為1-3％�？椎拇笮∪�決于熱處理條件和原料粉末的微觀形態(tài)，通常不超過幾十微米，這會阻礙組織、血管和其他營養(yǎng)通道的生長。氧化鋁基陶瓷可以在缺損的骨頭或兩個斷裂的骨頭部分中起到支撐作用，但不能在治療過程中用于完全的骨骼重塑。因此建議使用大孔結(jié)構(gòu)來刺激植入物放置區(qū)域的骨組織向內(nèi)生長。3D打印允許制造任何形狀的零件，實施個性化的患者治療方法，其中涉及使用計算機斷層攝影(CT)，同時控制孔隙率和孔尺寸（400μm及更高），以便在受損區(qū)域更好地接受植入物�？紤]到這一點，具有復雜的定制多孔結(jié)構(gòu)的3D打印陶瓷植入物的設(shè)計和制造成為一個緊迫的問題。

骨骼植入

在這項研究中，研究人員基于光固化性陶瓷懸浮液的逐層聚合，使用由光固化性多組分粘合劑和陶瓷粉末組成的陶瓷部件3D打印的立體光刻（SLA）方法。3D模型的每一層（切片）都通過在工作區(qū)域中進行激光陰影線固化，然后通過展開的刀片施加一層新的糊狀層。下圖顯示了立體平版印刷過程的示意圖。該工藝允許制造具有高空間分辨率的材料（在印刷平面上約為40μm，在垂直于印刷平面的方向上約為10μm）。然后將印刷的綠色零件加熱數(shù)小時，以去除聚合物粘合劑。進一步地，將零件燒結(jié)以賦予最終形狀和所需的機械性能。這兩種工藝都是陶瓷制造的傳統(tǒng)工藝。

工藝方法

在該研究中，由Alexander Safonov教授領(lǐng)導的Skoltech科學家使用另一位Skoltech教授Alexander Pasko開發(fā)的功能表示（FRep）方法對植入物進行建模。Skoltech的研究科學家，該論文的合著者Evgenii Maltsev表示，微結(jié)構(gòu)的FRep建模具有很多優(yōu)勢。首先，F(xiàn)Rep建模始終保證結(jié)果模型是正確的，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，模型可能具有裂紋或不連續(xù)的小面。其次，它確保了最終微觀結(jié)構(gòu)的完全參數(shù)化，因此，快速生成可變3D模型的靈活性。第三，它提供了用于對各種網(wǎng)格結(jié)構(gòu)進行建模的多種工具。

應用有界混合運算賦予種植體結(jié)構(gòu)剛度。

在他們的研究中，科學家使用FRep方法設(shè)計圓柱形植入物，并使用立方菱形晶胞對細胞的微觀結(jié)構(gòu)進行建模。CDMM的增材制造實驗室根據(jù)其設(shè)計進行了3D打印的陶瓷植入物，并在軸向壓縮下對其進行了測試。

有趣的是，新方法能夠改變多孔結(jié)構(gòu)，從而生產(chǎn)出不同密度的植入物，以滿足患者的個性化需求。

本文來源：Alexander Safonov et al, Design and Fabrication of Complex-Shaped Ceramic Bone Implants via 3D Printing Based on Laser Stereolithography, Applied Sciences (2020). DOI: 10.3390/app10207138