Ученые из Сколовского института науки и технологий (Сколтех) разработали новый метод 3D-печати персонализированных керамических костных имплантатов.

В рамках своего исследования команда применила подход, основанный на моделировании, для создания гибких, безупречных 3D-моделей, которые послужили бы основой для их дополнительных имплантатов. Исследователи оптимизировали эти конструкции, чтобы они имели большие поры, которые можно было настроить в соответствии с потребностями конкретных пациентов и облегчить их слияние с органической тканью.

«Функциональное представление (FRep) моделирования микроструктур имеет множество преимуществ», — сказал Евгений Мальцев, один из соавторов статьи. «FRep всегда гарантирует, что полученная модель верна, в отличие от традиционного полигонального представления в системах САПР, где модели могут иметь трещины или несвязанные грани».

skoltech scientists develop novel method of 3d printing personalized ceramic bone implantsnbsp 3d printing industry 7e51c51

Имплантаты команд имели пористую структуру, которую можно было адаптировать к индивидуальным потребностям пациента. Изображение предоставлено Павлом Одиневым, Сколтех.

Использование потенциала керамики

Керамика обладает рядом свойств, таких как износостойкость и химическая стабильность, что делает ее идеальной для 3D-печати чего угодно, от инструментов до стоматологических товаров. Несмотря на это, в то время как аддитивное производство также применялось в имплантатах, керамика в этой области используется реже, и обычно предпочтительны полимеры и сплавы, нагруженные ячейками.

Например, исследователи из Делфтского технического университета разработали регенерирующие каркасы на основе магния , а исследование Charité – Universitätsmedizin Berlin показало, что оптимальной материальной базой является титан . В другом месте, японские ученые из университета Нагасаки и Saga университета, создали 3Dтрубчатую структуру , трахею, без биологических подмостей на всех.

Между тем ученые Сколтеха определили пористость как жизненно важную для пролиферации клеток после операции и сузили «оптимальный размер пор» до 390–590 мкм. Достижение такого уровня точности оказалось трудным при использовании существующего сырья, поскольку его низкая пористость препятствует росту тканей, кровеносных сосудов и других питательных каналов.

В настоящее время для преодоления этих ограничений используются вспенивающие и выгорающие добавки, но команда предположила, что 3D-печать обеспечит лучшую платформу для создания макропористых структур. Учитывая, что аддитивное производство позволяет изготавливать детали с контролируемой пористостью, эта технология имеет потенциал для печати настраиваемых имплантатов с индивидуализированной структурой.

skoltech scientists develop novel method of 3d printing personalized ceramic bone implantsnbsp 3d printing industry 358f8c0

Исследовательская группа использовала машину SLA для 3D-печати своих керамических имплантатов (на фото) с последующими этапами удаления связующего и спекания. Изображение из журнала Applied Sciences.

Метод 3D-печати, оптимизированный для FRep

Чтобы разработать метод изготовления имплантата, который позволил бы пользователям быстро персонализировать каждый костный трансплантат, ученые использовали метод моделирования FRep. По сути, FRep использует более неявный подход к моделированию, который позволяет воспроизводить сложные формы с пористыми, ячеистыми и нерегулярными микроструктурами.

По сравнению с моделями на основе САПР, команда обнаружила, что FRep дает точные и безошибочные проекты, которые более гибки для адаптации. Чтобы проверить, как их модели будут работать в условиях конечного использования, ученые использовали SLA-принтер для отверждения пасты, состоящей из многокомпонентного связующего и керамического порошка.

После процесса печати «зеленые» детали нагревали в печи для удаления пластикового связующего и спекали до их окончательной формы с заранее заданными свойствами с использованием системы SLS. Полученные цилиндрические образцы затем были оценены командой с помощью микроскопии SEM и различных испытаний на механическую нагрузку.

При осевом сжатии имплантаты, напечатанные на 3D-принтере, показали прочность 400 МПа, в то время как изображения SEM показали размер пор от 440 до 700 мкм (в пределах допусков команды). Хотя образцы размером 4 (D) x 9,5 мм (W) оказались самонесущими, на начальном этапе проектирования им действительно потребовалось незначительное усиление материала.

Учитывая, что их имплантаты показали тот же уровень прочности на сжатие, что и губчатая кость, ученые сочли их подход успешным. Команда намеревается оптимизировать свой метод печати в будущем, и с этой целью десять их прототипов были отправлены в институт для испытаний на животных.

Растущее применение добавок в керамике

Керамика все чаще используется для 3D-печати деталей с улучшенными свойствами не только в медицинской промышленности, но и в электронике и стоматологии.

Компания XJet, специализирующаяся на струйной обработке материалов, заключила партнерские отношения со стоматологической фирмой Straumann, чтобы расширить возможности своего оборудования для производства стоматологических изделий . Используя как свою систему XJet, так и сырье на керамической основе, Straumann стремится сократить время, затрачиваемое на трудоемкие задачи постобработки.

Французский центр передачи технологий в керамике установил одну из машин nScrypt's Factory in a Tool (FiT) в качестве средства трехмерной печати электроники . Используя свою новую систему, команда теперь может печатать тонкие проводящие линии конформно на различных подложках.

В другом месте, немецкой керамической добавка производственной компании StoneFlower3D разработала новую печатающую головку для обработки глины, бетона и паст в процессе 3Dпечати. Устройство разработано, чтобы обеспечить более доступный способ изготовления керамических изделий для тех, кто имеет настольные машины.

Выводы исследователей подробно описаны в их статье под названием « Дизайн и изготовление керамических костных имплантатов сложной формы с помощью 3D-печати на основе лазерной стереолитографии ». Соавторами исследования: Александр Сафонов, Евгений Мальцев, Святослав Чугунов, Андрей Тихонов, Степан КоневOrcID, Станислав Евлашин, Дмитрий Попов, Александр Пасько и Искандер Ахатов.

Чтобы быть в курсе последних новостей о 3D-печати, не забудьте подписаться на информационный бюллетень индустрии 3D-печати, подписаться на нас в Twitter или поставить лайк на нашей странице в Facebook .

Вы ищете работу в индустрии аддитивного производства? Посетите раздел «Работа в 3D-печати», чтобы узнать о вакансиях в отрасли.

На представленном ниже изображении показаны два устройства костных имплантатов, напечатанных учеными на 3D-принтере. Фото из журнала Applied Sciences.

Теги Центр трансфера технологий в керамике Charité – Universitätsmedizin Berlin Евгений Мальцев Университет Нагасаки nScrypt Saga University Сколовский институт науки и технологий StoneFlower3D Straumann tu delft Xjet skoltech scientists develop novel method of 3d printing personalized ceramic bone implantsnbsp 3d printing industry 48f0545

Пол Ханафи

Пол — выпускник факультета истории и журналистики со страстью к поиску последних новостей в сфере технологий.


Источник