Un nou estudi troba que els implants mèdics de titani són molt efectius

Procés d'impressió 3D de titani

En comparació amb el procés tradicional, els avantatges de la tecnologia d'impressió 3D per fabricar figures d'implants quirúrgics personalitzats es reflecteixen principalment en: les característiques de formació lliure d'impressió 3D poden personalitzar l'implant intern de manera ràpida i precisa, pot superar la forma tradicional de la figura de l'implant universal és incompatible amb el cos humà i les seves propietats mecàniques no estan a l'altura dels problemes estàndard; En la fabricació d'estructures complexes i productes difícils de processar, les microestructures personalitzades, especialment les estructures poroses, no només poden complir amb propietats físiques i químiques específiques, sinó que també poden millorar la biohistocompatibilitat.

Aquesta sèrie d'avantatges pot superar eficaçment els problemes comuns de blindatge d'estrès i baixa activitat biològica dels implants. Actualment, els aliatges de titani d'impressió 3D més utilitzats i utilitzats són la tecnologia SLM i la tecnologia EBM.

La fusió selectiva per làser (SLM) utilitza el làser com a font de calor per irradiar selectivament materials en pols preestablerts per aconseguir una formació de fusió ràpida. El principi de funcionament principal és que sota l'entorn de protecció de gas inert, l'instrument i l'equip controlen el feix làser segons el camí d'escaneig d'ompliment generat pel mode de disseny del sistema per seleccionar i fondre cada capa de pols.

A continuació, es mou la plataforma cap avall, es torna a col·locar la pols i es repeteix la sinterització fins que es forma tota la forma. La protecció de gas inert evita que el metall reaccioni amb altres gasos a altes temperatures. La tecnologia SLM és una gamma molt àmplia de materials de conformació, estalvi de material i reciclable, no cal dissenyar i preparar un sistema de suport complex, aquesta sèrie d'avantatges fan que la tecnologia SLM s'utilitzi cada cop més.

Tanmateix, SLM també té alguns inconvenients: a causa de la potència limitada del làser i l'angle de deflexió del galvanòmetre d'escaneig, el rang de mida de les peces preparades per SLM serà limitat; Els làsers d'alta potència i els equips òptics d'alta qualitat són cars de fabricar, la qual cosa augmenta la càrrega econòmica fins a cert punt. A causa de l'ús de materials en pols en la tecnologia SLM, la qualitat superficial de les peces modelades pot ser problemàtica, la qual cosa requereix un processament secundari del producte que s'utilitzarà per a treballs posteriors; També es poden produir defectes d'esferoidització i deformació en el procés de processament, cosa que requereix un pas més per optimitzar estrictament el procediment de processament. La fusió del feix d'electrons, EBM és un procés que utilitza el feix d'electrons com a font de calor per fondre la pols metàl·lica capa per capa en un entorn de buit per a la fabricació additiva.

El seu principi de funcionament és: pols prerevestit, deflexió del feix d'electrons d'alta energia després de centrar-se per produir alta energia a la petita àrea local per escanejar la capa de pols per produir alta temperatura i fins i tot fondre, mitjançant l'exploració contínua del feix d'electrons per produir energia entre la fusió i la solidificació de la piscina fosa, connectada en una capa metàl·lica lineal i plana.

Després d'acabar la capa actual, repetiu l'operació de col·locació de pols per formar. En el procés de producció, EBM adopta el veritable entorn de fusió de l'aire per garantir l'alta resistència del material i evitar l'oxidació de l'aliatge. En comparació amb SLM, els principals avantatges de l'EBM són: la generació eficient d'energia del feix d'electrons consumeix menys energia, la velocitat de producció és alta, de manera que la potència total real de tota la màquina és alta; La deflexió del feix d'electrons no necessita moure la part de l'equip, la qual cosa millora encara més la velocitat d'escaneig. El bon entorn tèrmic garanteix l'estabilitat de la forma de les peces impreses en 3D, garanteix les seves propietats mecàniques estàtiques, compleix els requisits biològics i la pols metàl·lica també es pot reciclar.

L'estat i el progrés dels implants quirúrgics impresos en 3D

Els implants quirúrgics i les ortesis amb impressió 3D tenen una perspectiva d'aplicació prometedora en el camp de l'osteologia. Ara n'hi ha més i mésMaterials d'implants impresos en 3Dcom ara audiòfons, pròtesis d'extremitats, guies personalitzades de cirurgia ortopèdica, articulacions artificials, orelles externes artificials, implants dentals personalitzats i altres aplicacions en el tractament clínic personalitzat. Segons els informes, l'any 2014, investigadors de la Universitat de Pequín van implantar amb èxit un nen de 12 anys amb una columna vertebral artificial personalitzada impresa en 3D amb microforats, que va ser el primer cas del món. El mateix any, metges i científics van equipar una nena de 5 anys a Escòcia amb una pròtesi de palma impresa en 3D.

El Centre d'Especialitat d'Estomatologia de l'Hospital 411 de l'Exèrcit Popular d'Alliberament va utilitzar amb èxit la tecnologia EBM per personalitzar i implantar un implant d'aliatge de titani mandibular amb una simulació de l'anatomia altament personalitzada per a un pacient amb resecció hemimaxil·lar. Durant l'operació, la resecció de la mandíbula malalta i la reparació funcional individualitzada es van completar en un sol temps, i la mandíbula defectuosa es va reparar i reconstruir individualment. L'efecte postoperatori va ser satisfactori. Lethaus B i altres investigadors van utilitzar la tecnologia d'impressió 3D per reconstruir els colgajos ossis i microvasculars en 20 pacients amb resecció mandibular, la qual cosa va reduir el temps d'operació i va millorar la qualitat de l'operació, i l'efecte postoperatori va ser bo. En els darrers anys, notícies i investigacions similars han sorgit en un flux interminable, que reflecteix plenament les bones perspectives d'aplicació de la impressió 3D en l'àmbit mèdic.

Pel que fa als productes ortopèdics, els materials d'implants quirúrgics impresos en 3D també es dirigeixen gradualment cap a la comercialització i la comercialització. El 2007, les tasses d'acetàbul impresos en 3D bioimpresos amb bastides de teixit dur desenvolupats per l'empresa italiana Adler Ortho i LIma-LTO van aprovar la certificació CE. El producte d'Exactech va ser aprovat per la FDA l'any 2010. El 2009, el dispositiu de fusió corporal de titani produït per l'empresa nord-americana AMT amb impressió 3D també va passar la certificació CE de la UE. L'any 2013, la FDA va aprovar el primer producte d'implant de crani bioimprès als Estats Units, que també és la primera figura d'implant de crani PEEK impresa en 3D personalitzada del món.

Sobre aquesta base, el 2014, la United States Oxford Company va rebre l'aprovació de la FDA per a la impressió 3D de productes d'os maxil·lofacial (mode 5IOK). A més, s'informa que el setembre de 2015, l'implant humà imprès en 3D - articulació artificial del maluc desenvolupat pel Tercer Hospital de Medicina de Beijing i Beijing Aikang Yicheng Medical Equipment Co., LTD., va ser registrat per l'Administració Estatal d'Aliments i Medicaments. L'articulació del maluc impresa en 3D ha entrat a l'"etapa de producció en massa", el que significa que els implants d'impressió 3D de la Xina també han entrat a l'etapa de producció.

La tecnologia d'impressió 3D ha demostrat un paper cada cop més important en la ciència mèdica i la innovació tecnològica, i la investigació i aplicació de diverses pròtesis d'implants personalitzades, extremitats protèsiques, implants dentals i altres aspectes també són cada cop més extensos. Així doncs, l'avaluació de la bioseguretat dels implants preparats per aquest nou procés necessita cada cop més atenció.

Recerca sobre la bioseguretat del titani d'impressió 3D

La seguretat dels materials biomèdics es reflecteix principalment en la interacció entre teixits i materials. Perquè els materials metàl·lics biomèdics compleixin els estàndards dels dispositius implantats, s'ha d'exigir que la reacció causada per la implantació al cos humà estigui a un nivell acceptable i, al mateix temps, no pugui induir canvis qualitatius en l'estructura i propietats del material. La interacció entre el cos humà i el cos humà es reflecteix principalment en la seva biocompatibilitat i funció biològica.

Per tant, després de la implantació al cos humà, l'implant no hauria de provocar reaccions adverses com ara al·lèrgia, inflamació i química a les cèl·lules, sang i òrgans humans, o el rebuig de cossos estranys humans. Al mateix temps, també es requereix que els implants que s'han d'implantar durant molt de temps han de tenir bones propietats mecàniques estàtiques, és a dir, força suficient, mòdul elàstic adequat, alta estabilitat, bona resistència a la corrosió i durabilitat duradora. Ara la implantació quirúrgica d'aliatge de titani s'utilitza àmpliament en la pràctica clínica, i la investigació de biocompatibilitat també està madura. Per tant, la seguretat de les peces d'aliatge de titani relacionades amb la impressió 3D se centra principalment en la seguretat de la seva funció biomecànica.

La investigació sobre si l'implant metàl·lic imprès en 3D és comparable amb els productes d'implant general del procés tradicional pel que fa a propietats mecàniques, resistència a la corrosió i biocompatibilitat, i si algunes de les propietats mecàniques estàtiques de l'implant d'aliatge poden complir l'aplicació clínica i els estàndards nacionals encara està en curs. S'ha trobat que les propietats mecàniques estàtiques parcials dels implants de titani impresos en 3D poden satisfer les necessitats clíniques. Les mostres de Ti6A14V preparades mitjançant la tècnica EBM es van provar mitjançant prova de tracció directa i prova de premsat isostàtica en calent. Els resultats van mostrar que la força de les mostres TI6A14V superava l'estàndard de forja.

La resistència a la corrosió de l'aliatge Co-Cr-Mo preparat per la tecnologia SLM és similar a la de l'aliatge preparat pel procés tradicional, i la quantitat de dissolució d'ions en l'entorn salival simulat és menys d'impressió 3D que la de l'aliatge de procés tradicional. L'empresa EOS va trobar que el producte Ti6A14V preparat per la tecnologia DMLS tenia les mateixes propietats mecàniques estàtiques i resistència a la fatiga que la forja tradicional mitjançant un postprocessament raonable. El dispositiu de fusió de vèrtebres d'aliatge de titani porós preparat per EBM es va implantar al cos de cabra i va aconseguir bons resultats en el model de fusió cervical d'ovelles. La interfície de material ossi era millor que el dispositiu de fusió PEEK.

Clínicament, el mòdul elàstic i altres propietats mecàniques de l'aliatge de titani no coincideixen amb les propietats de l'os humà, la qual cosa conduirà al fenomen de "protecció contra l'estrès" al teixit ossi perifèric de l'implant i provocarà osteoporosi, donant lloc a l'absorció òssia, afluixament i pèrdua de l'implant i fracàs. Per tal de reduir aquest problema amb els implants de titani, els implants d'estructura porosa han entrat als ulls dels investigadors. Ara, els estudis han demostrat que la impressió 3D pot ajustar la microestructura dels implants amb alta precisió per canviar-ne el mòdul elàstic i les propietats mecàniques, de manera que coincideixi amb el teixit ossi humà i millori encara més les funcions biomecàniques sobre la base de garantir una càrrega fisiològica adequada.

L'estructura controlada del cos Ti6AI4V es va fabricar mitjançant la tecnologia de conformació EBM, i es va trobar que l'estructura interna del buit era coherent amb el disseny teòric sota microscòpia electrònica d'escaneig, que va aconseguir el control precís de l'EBM sobre l'estructura dels productes impresos en 3D. Mitjançant la prova de rendiment mecànic, la resistència a la compressió corresponent és de 163 MPa i el mòdul elàstic és de 14 MPa amb una porositat de porus del 60,1%, que és propera a l'os humà. El cultiu cel·lular in vitro també va mostrar una bona compatibilitat cel·lular.

Les bastides poroses es van preparar mitjançant la tecnologia EBM mitjançant l'optimització dels paràmetres de disseny i es van avaluar les seves propietats mecàniques. Es va trobar que la biomecànica dels materials porosos dissenyats tenia un alt grau de superioritat en la simulació de la compatibilitat de fases i la coincidència d'implantació. Es van implantar tres tipus de titani porós amb 300 g, 600 g i 900 ~ tm preparats per SLM a la tíbia del conill per investigar l'efecte de la proporció de porus sobre el creixement ossi. Els resultats van mostrar que el teixit ossi amb una estructura porosa de 600 ~ m tenia una millor longitud i biocompatibilitat.

Des del punt de vista del creixement ossi, una bastida amb porositat i obertura ajustables serà més favorable a la transmissió i transmissió de nutrients al cos humà, i també pot promoure la capacitat de creixement ossi, augmentar la combinació d'implants i llits ossis i allargar la vida útil de la pròtesi, per obtenir millors efectes mèdics que l'aliatge de titani d'estructura sòlida. En els darrers anys, l'aliatge de titani de diversos forats es considera pas a pas com el nou material clínic de reparació i reemplaçament de teixits durs més ideal, i l'aplicació d'implants d'aliatge de titani impresos en 3D amb diverses estructures microscòpiques o mitjançant estructures també ha obert un nou camp.