Nova studija otkriva da su titanijumski medicinski implanti veoma efikasni

Proces 3D štampanja titanijuma

U poređenju sa tradicionalnim procesom, prednosti tehnologije 3D štampanja za proizvodnju personalizovanih figura hirurških implantata uglavnom se ogledaju u: karakteristike slobodnog oblikovanja 3D štampanja mogu brzo i precizno prilagoditi unutrašnji implantat, može da prevaziđe tradicionalni univerzalni oblik figure implantata nije kompatibilan sa ljudskim telom i njegove mehaničke osobine nisu u skladu sa standardnim problemima; U proizvodnji složenih struktura i proizvoda koji se teško obrađuju, personalizirane mikrostrukture, posebno porozne kroz strukture, mogu ne samo zadovoljiti specifična fizička i kemijska svojstva, već i poboljšati biohistokompatibilnost.

Ova serija prednosti može efikasno prevazići uobičajene probleme zaštite od stresa i niske biološke aktivnosti implantata. Trenutno, najčešće korištene i široko korištene legure titana za 3D štampu su SLM tehnologija i EBM tehnologija.

Selektivno lasersko topljenje (SLM) koristi laser kao izvor topline za selektivno zračenje prethodno položenih praškastih materijala kako bi se postiglo brzo formiranje topljenja. Glavni princip rada je da u okruženju zaštite od inertnog plina, instrument i oprema kontroliraju laserski snop prema putu skeniranja punjenja koji je generiran modom dizajna sistema za odabir i topljenje svakog sloja praha.

Zatim se platforma pomera prema dole, ponovo se postavlja prah i sinterovanje se ponavlja dok se ne formira ceo oblik. Zaštita od inertnog gasa sprečava metal da reaguje sa drugim gasovima na visokim temperaturama. SLM tehnologija je veoma široka lepeza materijala za formiranje, koji štede materijal i mogu se reciklirati, ne treba dizajnirati i pripremati složen sistem podrške, ovaj niz prednosti čini SLM tehnologiju sve širom upotrebom.

Međutim, SLM ima i neke nedostatke: zbog ograničene snage lasera i ugla otklona galvanometra skeniranja, raspon veličina dijelova koje priprema SLM će biti ograničen; Laseri velike snage i visokokvalitetna optička oprema su skupi za proizvodnju, što donekle povećava ekonomsko opterećenje. Zbog upotrebe praškastih materijala u SLM tehnologiji, kvalitet površine oblikovanih dijelova može biti problematičan, što zahtijeva sekundarnu obradu proizvoda koji će se koristiti za naknadni rad; Defekti sferoidizacije i savijanja se također mogu pojaviti u procesu obrade, što zahtijeva daljnji korak za striktno optimizaciju postupka obrade. Topljenje elektronskim snopom, EBM je proces koji koristi snop elektrona kao izvor topline za topljenje metalnog praha sloj po sloj u vakuumskom okruženju za aditivnu proizvodnju.

Njegov princip rada je: prethodno obložen prah, skretanje visokoenergetskog elektronskog snopa nakon fokusiranja kako bi se proizvela visoka energija na lokalnom malom području za skeniranje sloja praha za proizvodnju visoke temperature i ravnomjernog rastapanja, kroz kontinuirano skeniranje elektronskog snopa kako bi se proizvela energija između fuzije taline i skrućivanja, povezana u linearni i ravni metalni sloj.

Nakon završetka trenutnog sloja, ponovite operaciju polaganja praha da biste formirali. U proizvodnom procesu, EBM usvaja istinsko okruženje topljenja na zraku kako bi osigurao visoku čvrstoću materijala i izbjegao oksidaciju legure. U poređenju sa SLM, glavne prednosti EBM-a su: efikasna proizvodnja energije elektronskog snopa troši manje energije, brzina proizvodnje je velika, tako da je stvarna ukupna snaga cijele mašine visoka; Otklon elektronskog snopa ne mora da pomera deo opreme, što dodatno poboljšava brzinu skeniranja. Dobro termalno okruženje osigurava stabilnost oblika 3D štampanih dijelova, osigurava njegova statička mehanička svojstva, ispunjava biološke zahtjeve, a metalni prah se također može reciklirati.

Status i napredak 3D štampanih hirurških implantata

Hirurški implantati i ortoze sa 3D printanjem imaju obećavajuću perspektivu primjene u području osteoologije. Sada ih ima sve više3D štampani materijali za implantatekao što su slušna pomagala, protetski udovi, personalizirani vodiči za ortopedsku hirurgiju, umjetni zglobovi, umjetne vanjske uši, personalizirani zubni implantati i druge primjene u kliničkom personaliziranom tretmanu. Prema izvještajima, istraživači sa Univerziteta u Pekingu su 2014. godine uspješno implantirali 12-godišnjem dječaku personaliziranu 3D odštampanu umjetnu kičmu s mikrorupama, što je bio prvi slučaj u svijetu. Iste godine, doktori i naučnici su petogodišnjoj devojčici u Škotskoj opremili 3D štampani protetski dlan.

Specijalistički centar za stomatologiju 411. bolnice Narodnooslobodilačke armije uspešno je koristio EBM tehnologiju za prilagođavanje i implantaciju implantata od legure titanijuma mandibule sa visoko personalizovanom simulacijom anatomije za pacijenta sa hemimaksilarnom resekcijom. U toku operacije u jednom je terminu obavljena resekcija oboljele mandibule i individualizirana funkcionalna sanacija, a individualno je sanirana i rekonstruirana defektna mandibula. Postoperativni efekat je bio zadovoljavajući. Lethaus B i drugi istraživači koristili su tehnologiju 3D printanja za rekonstrukciju koštanih i mikrovaskularnih režnja kod 20 pacijenata sa resekcijom donje čeljusti, što je skratilo vrijeme operacije i poboljšalo kvalitet operacije, a postoperativni učinak je bio dobar. Posljednjih godina, slične vijesti i istraživanja pojavili su se u beskrajnom toku, što u potpunosti odražava dobre izglede za primjenu 3D printanja u medicinskom polju.

Na strani ortopedskih proizvoda, 3D printani hirurški implantati također se postupno kreću prema komercijalizaciji i marketingu. Godine 2007. bioprintane 3D štampane čašice za acetabulum sa skelama od tvrdog tkiva koje su razvile italijanske kompanije Adler Ortho i LIma-LTO prošle su CE sertifikat. Exactechov proizvod je odobrila FDA 2010. Godine 2009. uređaj za fuziju tijela od titanijuma koji je proizvela američka kompanija AMT koristeći 3D štampanje također je prošao EU CE certifikat. Godine 2013. FDA je odobrila prvi bioštampani proizvod za implantate lobanje u Sjedinjenim Državama, što je ujedno i prva personalizirana 3D štampana figura implantata PEEK lobanje na svijetu.

Na osnovu toga, 2014. godine, kompanija United States Oxford Company dobila je odobrenje FDA za 3D štampanje proizvoda od maksilofacijalne kosti (5IOK mod). Osim toga, objavljeno je da je u septembru 2015. Državna uprava za hranu i lijekove registrovala 3D štampani ljudski implant - umjetni zglob kuka koji su razvili Treća bolnica pekinške medicine i Beijing Aikang Yicheng Medical Equipment Co., LTD. 3D štampani zglob kuka ušao je u "fazu masovne proizvodnje", što znači da su kineski implantati za 3D štampanje takođe zakoračili u fazu proizvodnje.

Tehnologija 3D štampe pokazuje sve važniju ulogu u medicinskoj nauci i tehnološkim inovacijama, a istraživanje i primjena različitih personaliziranih implantoloških proteza, protetskih udova, zubnih implantata i drugih aspekata također su sve opsežnije. Dakle, procjena biološke sigurnosti implantata pripremljenih ovim novim procesom zahtijeva sve više pažnje.

Istraživanje o biološkoj sigurnosti titanijuma za 3D štampanje

Sigurnost biomedicinskih materijala uglavnom se ogleda u interakciji između tkiva i materijala. Da bi biomedicinski metalni materijali zadovoljili standarde implantiranih uređaja, mora se zahtijevati da reakcija uzrokovana implantacijom u ljudskom tijelu bude na prihvatljivom nivou, a da istovremeno ne može izazvati kvalitativne promjene u strukturi i svojstvima materijala. Interakcija između ljudskog tijela i ljudskog tijela uglavnom se ogleda u njegovoj biokompatibilnosti i biološkoj funkciji.

Stoga, nakon implantacije u ljudsko tijelo, implantat ne bi trebao izazvati neželjene reakcije kao što su alergija, upala i kemija u ljudskim stanicama, krvi i organima, ili odbacivanje ljudskih stranih tijela. Istovremeno, potrebno je i da implantati koje je potrebno ugraditi na duže vrijeme moraju imati dobra statička mehanička svojstva, odnosno dovoljnu čvrstoću, odgovarajući modul elastičnosti, visoku stabilnost, dobru otpornost na koroziju i trajnu trajnost. Sada se hirurška implantacija legure titana široko koristi u kliničkoj praksi, a zrelo je i istraživanje biokompatibilnosti. Stoga se sigurnost dijelova od legure titana koji se odnose na 3D printanje uglavnom fokusira na sigurnost njegove biomehaničke funkcije.

Istraživanje o tome da li je 3D printani metalni implantat uporediv s općim implantatima tradicionalnog procesa u pogledu mehaničkih svojstava, otpornosti na koroziju i biokompatibilnosti, te da li neka od statičkih mehaničkih svojstava implantata od legure mogu zadovoljiti kliničku primjenu i nacionalne standarde još uvijek je u tijeku. Utvrđeno je da djelomična statička mehanička svojstva 3D printanih titanijskih implantata mogu zadovoljiti kliničke potrebe. Uzorci Ti6A14V pripremljeni EBM tehnikom ispitani su direktnim vlačnim ispitivanjem i ispitivanjem vrućim izostatskim presovanjem. Rezultati su pokazali da čvrstoća uzoraka TI6A14V premašuje standard kovanja.

Otpornost na koroziju legure Co-Cr-Mo pripremljene SLM tehnologijom je slična onoj legure pripremljene tradicionalnim postupkom, a količina rastvaranja jona u simuliranom pljuvačkom okruženju je manja od 3D printanja nego kod tradicionalne legure. Kompanija EOS utvrdila je da proizvod Ti6A14V pripremljen DMLS tehnologijom ima ista statička mehanička svojstva i otpornost na zamor kao tradicionalno kovanje kroz razumnu naknadnu obradu. Uređaj za fuziju pršljenova od porozne legure titana koji je pripremio EBM implantiran je u tijelo koze i postigao je dobre rezultate u modelu cervikalne fuzije ovaca. Interfejs kost-materijal bio je bolji od PEEK uređaja za fuziju.

Klinički, modul elastičnosti i druga mehanička svojstva legure titanijuma ne odgovaraju osobinama ljudske kosti, što će dovesti do fenomena „zaštita od stresa“ u perifernom koštanom tkivu implantata i uzrokovati osteoporozu, što rezultira apsorpcijom kosti, labavljenjem i gubitkom implantata i otkazom. Kako bi se smanjio ovaj problem sa titanijumskim implantatima, implantati porozne strukture ušli su u oči istraživača. Sada su studije pokazale da 3D štampa može prilagoditi mikrostrukturu implantata sa velikom preciznošću kako bi promijenila njihov modul elastičnosti i mehanička svojstva, kako bi se uskladila s ljudskim koštanim tkivom i dodatno poboljšala biomehaničke funkcije na osnovu osiguravanja odgovarajućeg fiziološkog opterećenja.

Kontrolirana struktura Ti6AI4V tijela proizvedena je EBM tehnologijom oblikovanja, a unutarnja šupljina je konzistentna s teorijskim dizajnom pod skenirajućom elektronskom mikroskopijom, čime je postignuta precizna kontrola EBM-a na strukturi 3D printanih proizvoda. Kroz test mehaničkih performansi, odgovarajuća tlačna čvrstoća je 163 MPa, a modul elastičnosti je 14 MPa pri 60,1% poroznosti pora, što je blizu ljudske kosti. In vitro ćelijska kultura je također pokazala dobru ćelijsku kompatibilnost.

Porozne skele su pripremljene EBM tehnologijom kroz optimizaciju projektnih parametara, te su procijenjena njihova mehanička svojstva. Utvrđeno je da biomehanika projektovanih poroznih materijala ima visok stepen superiornosti u simulaciji fazne kompatibilnosti i usklađenosti implantacije. Tri vrste poroznog titanijuma sa 300gm, 600gm i 900~tm koje je pripremio SLM implantirane su u tibiju kunića kako bi se istražio uticaj omjera pora na rast kostiju. Rezultati su pokazali da koštano tkivo sa 600~m porozne strukture ima bolju dužinu i biokompatibilnost.

Sa stanovišta rasta kostiju, skela s podesivom poroznošću i otvorom će biti pogodnija za prijenos i prijenos nutrijenata u ljudskom tijelu, a može i promovirati sposobnost rasta kostiju, povećati kombinaciju implantata i koštanog ležišta i produžiti vijek trajanja proteze, kako bi se postigli bolji medicinski efekti od čvrste strukture titanijumske aloze. Posljednjih godina, legura titanijuma s više otvora korak po korak smatra se najidealnijim kliničkim novim materijalima za popravku i zamjenu tvrdih tkiva, a primjena 3D printanih implantata od legure titana s različitim mikroskopskim strukturama ili kroz strukture također je otvorila novo polje.