科學家開發(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科學技術學院（Skoltech）的科學家們開發(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。研究人員對這些設計進行了優(yōu)化，使其具有較大的孔，可以根據(jù)特定患者的需要進行定制，并使它們更容易與有機組織融合。

論文的合著者之一埃夫根尼·馬爾察夫（Evgenii Maltsev）表示：“微觀結構的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�！�

△團隊的植入物的特點是多孔結構，可以調整以適應個別患者的需求，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用中被采用，但陶瓷在這一領域的應用較少，通常首選含細胞的聚合物和合金。

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

與此同時，Skoltech的科學家們確定了孔隙度對手術后細胞增殖至關重要，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，但團隊理論上認為，3D打印將為創(chuàng)建大孔結構提供更好的平臺。鑒于快速成型制造可以生產(chǎn)具有可控孔隙率的部件，這項技術具有打印可定制結構的植入物的潛力。

△研究團隊使用SLA機器對陶瓷植入物進行3D打印，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(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，科學家采用了FRep建模方法。從本質上講，F(xiàn)Rep采用了更加隱式的建模方法，允許復制具有多孔和不規(guī)則微結構的復雜形狀。

與基于CAD的模型相比，團隊發(fā)現(xiàn)FRep輸出了準確無誤的設計，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）。

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。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)送到了動物測試機構。

研究人員在題為“Design and Fabrication of Complex-Shaped Ceramic Bone Implants via 3D Printing Based on Laser Stereolithography.” 的論文中進行了詳細介紹。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