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3D打印多孔鎂腳手架顯示出作為骨替代材料的潛力

魔猴君  行業(yè)資訊   1560天前

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荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)3D打印的可生物降解的鎂支架在關(guān)鍵尺寸骨缺損的再生中可能具有廣闊的應(yīng)用前景。盡管這種方法并非沒(méi)有局限性,但研究人員認(rèn)為,所使用的溶劑澆鑄3D打印(SC-3DP)方法在制造鎂基多孔支架方面具有“前所未有的可能性”。“鎂基材料被認(rèn)為是整形外科領(lǐng)域中一種有希望的新型生物材料,因?yàn)樗梢栽隗w內(nèi)逐漸降解,同時(shí)刺激骨骼再生,并有助于骨骼缺陷的愈合。”代爾夫特大學(xué)生物力學(xué)系的Zadpoor,也是參與這項(xiàng)研究的研究人員之一。 “因此,制造多孔鎂植入物引起了越來(lái)越多的興趣?!?/span>

從鎂支架的印刷試驗(yàn)獲得的結(jié)果。通過(guò)溶劑噴涂3D打印鎂支架/ Acta Biomaterialia的圖像

骨科生物材料

少數(shù)大學(xué)研究小組最近開(kāi)始使用增材制造制造鎂基材料,其中選擇性激光熔化(SLM)是常用的方法之一。但是,由于鎂的高易燃性以及最終生產(chǎn)零件中的不良成分變化,操作安全性受到挑戰(zhàn),因此使用這種方法的成功受到很大限制。

最近,已經(jīng)進(jìn)行了一些嘗試來(lái)開(kāi)發(fā)粉末床噴墨3D打印和熔絲制造(FFF)技術(shù),然后進(jìn)行燒結(jié)步驟,以替代SLM。然而,尚未報(bào)道利用這些技術(shù)來(lái)制造拓?fù)溆行虻亩嗫譓g支架。Zadpoor解釋說(shuō):“由于鎂粉在高激光能量下具有高度可燃性,因此操作安全是制造鎂支架時(shí)遇到的主要挑戰(zhàn)。使用更高的激光功率還會(huì)增加鎂蒸發(fā)的機(jī)會(huì),并在SLM過(guò)程中產(chǎn)生明顯的熱梯度,從而使制造過(guò)程變得昂貴。”

瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的材料研究人員采用另一種方法,開(kāi)發(fā)了一種基于增材制造的程序,使用3D打印的鹽模板制作具有規(guī)則孔隙率的鎂支架。盡管這項(xiàng)工作只是宣布時(shí)的概念證明,但參與研究的研究人員認(rèn)為,這些鎂支架具有制造可生物吸收的骨植入物的潛力。

ETH研究人員打印的鹽結(jié)構(gòu)(中心)3D模板。圖片來(lái)自蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院。

除了基于鎂的研究之外,還有3D打印支架的其他一些實(shí)際應(yīng)用。去年,來(lái)自英國(guó)動(dòng)物健康基金會(huì)(AHT)和東英吉利大學(xué)(UEA)的科學(xué)家使用了3D打印的BendLay聚碳酸酯長(zhǎng)絲支架來(lái)支持馬的骨骼再生。這些3D打印支架用于成功進(jìn)行體外成骨細(xì)胞,證明了通過(guò)稱為細(xì)胞接種的過(guò)程生成3D骨構(gòu)建體的可行性。

最近,德克薩斯A&M大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系的科學(xué)家通過(guò)對(duì)新生物材料的開(kāi)發(fā)進(jìn)行研究,在3D生物打印功能組織領(lǐng)域取得了進(jìn)展。該領(lǐng)域的早期跡象表明,增材制造可用于治療諸如關(guān)節(jié)炎,骨折,牙齒感染和顱面缺陷之類的缺陷和病癥。

萊斯大學(xué)和馬里蘭大學(xué)(UMD)在這一特定領(lǐng)域取得了其他進(jìn)步,科學(xué)家們概述了3D打印人造骨組織的新概念驗(yàn)證,以幫助修復(fù)與關(guān)節(jié)炎和運(yùn)動(dòng)事故有關(guān)的損傷?!?3D打印有可能在將來(lái)部分取代傳統(tǒng)制造,特別是在定制的或針對(duì)特定患者的植入物和復(fù)雜的多孔制造中,代爾夫特生物力學(xué)部門的周杰補(bǔ)充說(shuō),這是參與Solvent-Cast研究的一位研究人員鎂支架的3D打印研究。 “ 3D打印為臨床治療策略提供了更多可能性,并且在節(jié)省原始材料和縮短交貨時(shí)間方面將有助于顯著降低制造成本?!?/span>

Akhilesh Gaharwar博士和他的跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)正在尋找新的方法來(lái)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)3D生物打印的骨骼組織,以促進(jìn)骨骼再生。圖片來(lái)自德州A&M工程公司。

SC-3DP研究

在研究過(guò)程中,研究人員提出了一種基于室溫?cái)D壓的增材制造方法,即SC-3DP,以制造拓?fù)溆行虻亩嗫祖V支架,該步驟由三個(gè)步驟組成。第一步涉及制備具有所需流變特性的負(fù)載鎂粉的墨水,這是指材料響應(yīng)于施加的應(yīng)力而變形或流動(dòng)的方式。然后將油墨與由聚合物或揮發(fā)性溶劑組成的粘合劑體系一起通過(guò)噴嘴擠出,并印刷到具有0°/ 90°/ 0°層的支架中。最后,進(jìn)行脫脂和燒結(jié)過(guò)程,以通過(guò)應(yīng)用液相燒結(jié)策略去除油墨中的粘合劑并結(jié)合鎂粉顆粒。

鎂支架的制造步驟和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖。鎂支架/ Acta Biomaterialia的溶劑澆鑄3D打印圖像。

對(duì)制備的油墨進(jìn)行了流變學(xué)分析,分別以54%,58%和62%的體積填充鎂粉,以揭示支架的粘彈性。粘彈性是指材料在變形時(shí)既顯示粘性又顯示彈性的特性。還進(jìn)行了支架的熱重分析(TGA),傅立葉變換紅外光譜(FTIR),碳和硫分析以及掃描電子顯微鏡(SEM),這表明脫脂和燒結(jié)的步驟很可能是一個(gè)步驟。最終產(chǎn)物支架具有高孔隙率,包含分層且相互連接的孔。根據(jù)研究人員的說(shuō)法,這項(xiàng)研究首次證明了SC-3DP技術(shù)可以成功地制造出鎂基多孔支架材料,并有可能被用作骨替代材料。

點(diǎn)評(píng):在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中,臨界大小的骨缺損的再生仍然是臨床上的挑戰(zhàn),通常需要植骨材料。以前,科學(xué)家已經(jīng)使用生物惰性鈦和PEKK等傳統(tǒng)材料進(jìn)行3D打印植入物。然而,這些金屬通常需要第二次手術(shù)以去除植入物。另外,為這些應(yīng)用而設(shè)計(jì)的可用移植物和許多現(xiàn)有的合成生物材料不能滿足所有的臨床要求,這意味著需要開(kāi)發(fā)新一代合適的骨替代物。

近年來(lái),基于鎂的生物可降解金屬被認(rèn)為在此類骨科應(yīng)用中很有前途,因?yàn)榭梢詫?duì)其進(jìn)行更改,使其具有骨骼缺損再生所需的機(jī)械和生物學(xué)方面。與制造多孔鎂支架的傳統(tǒng)技術(shù)相比,增材制造的進(jìn)步提供了更大程度的設(shè)計(jì),制造靈活性和效率,因此可以生產(chǎn)具有精確控制的拓?fù)鋮?shù)的完全互連的多孔結(jié)構(gòu)。

特別是,SC-3DP方法具有巨大的潛力,可以克服目前用于制造多孔鎂支架的其他AM技術(shù)的材料,技術(shù)和結(jié)構(gòu)限制。根據(jù)研究結(jié)果,SC-3DP具有多種優(yōu)勢(shì),例如在環(huán)境條件下進(jìn)行3D打印,易于調(diào)整墨水成分,設(shè)備投資低以及具有制造具有分層孔和所需合金成分的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的潛力。SC-3DP方法也已證明在鋼,鐵,鈦基和鎳基微桁架的增材制造中是可行的。


所制成樣品的宏觀照片:(a)3D打印樣品,(b)在650°C下燒結(jié)5分鐘的樣品,

以及(c)從μCT圖像重建的燒結(jié)樣品。鎂支架的溶劑澆鑄3D打印/ Acta Biomaterialia。

該領(lǐng)域的未來(lái)研究

本質(zhì)上,從這項(xiàng)研究中獲得的結(jié)果提供了一種制造適合骨科應(yīng)用的可生物降解的鎂支架的新方法。 Zadpoor表示,盡管如此,在這一領(lǐng)域仍需進(jìn)一步研究。他總結(jié)說(shuō):“我們將繼續(xù)進(jìn)行進(jìn)一步研究,以研究添加劑制造的人造鎂支架的性能。下一步,需要根據(jù)生物力學(xué)穩(wěn)定性,生物降解能力和成骨能力評(píng)估鎂支架的體外和體內(nèi)性能?!?/span>

 

來(lái)源:https://www.3ddayin.net/xinwenpindao/shendujiedu/39627.html

   
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