مطالعه جدید نشان می‌دهد که ایمپلنت‌های پزشکی تیتانیومی بسیار مؤثر هستند

فرآیند چاپ سه بعدی تیتانیوم

در مقایسه با فرآیند سنتی، مزایای فناوری چاپ سه‌بعدی برای تولید ایمپلنت‌های جراحی شخصی‌سازی‌شده عمدتاً در موارد زیر منعکس می‌شود: چاپ سه‌بعدی با ویژگی‌های شکل‌دهی آزاد می‌تواند به سرعت و با دقت ایمپلنت داخلی را سفارشی کند، می‌تواند بر مشکلات رایج جهانی مانند ناسازگاری شکل ایمپلنت با بدن انسان و عدم تطابق خواص مکانیکی آن با استانداردهای جهانی غلبه کند؛ در ساخت سازه‌های پیچیده و محصولات دشوار برای پردازش، ریزساختارهای شخصی‌سازی‌شده، به‌ویژه سازه‌های متخلخل، نه تنها می‌توانند خواص فیزیکی و شیمیایی خاصی را برآورده کنند، بلکه سازگاری بافتی زیستی را نیز افزایش می‌دهند.

این سری از مزایا می‌تواند به طور مؤثر بر مشکلات رایج محافظت در برابر استرس و فعالیت بیولوژیکی پایین ایمپلنت‌ها غلبه کند. در حال حاضر، رایج‌ترین و پرکاربردترین آلیاژهای تیتانیوم چاپ سه‌بعدی، فناوری SLM و فناوری EBM هستند.

ذوب لیزری انتخابی (SLM) از لیزر به عنوان منبع گرما برای تابش انتخابی مواد پودری از پیش آماده شده استفاده می‌کند تا به شکل‌دهی سریع ذوب دست یابد. اصل کار اصلی این است که تحت محیط حفاظت از گاز بی‌اثر، ابزار و تجهیزاتبعد از ظهرپرتو لیزر را مطابق با مسیر اسکن پرکننده تولید شده توسط حالت طراحی سیستم کنترل کنید تا هر لایه پودر را انتخاب و ذوب کنید.

سپس سکو به پایین منتقل می‌شود، دوباره پودر پاشیده می‌شود و پخت این فرآیند تا زمانی که کل شکل تشکیل شود، تکرار می‌شود. محافظت گاز بی‌اثر از واکنش فلز با سایر گازها در دماهای بالا جلوگیری می‌کند. فناوری SLM طیف بسیار گسترده‌ای از مواد تشکیل‌دهنده را ارائه می‌دهد، در مصرف مواد صرفه‌جویی می‌کند و قابل بازیافت است، نیازی به طراحی و آماده‌سازی سیستم پشتیبانی پیچیده ندارد، این سری از مزایا باعث می‌شود فناوری SLM بیشتر و بیشتر مورد استفاده قرار گیرد.

با این حال، SLM معایبی نیز دارد: به دلیل محدود بودن توان لیزر و زاویه انحراف گالوانومتر روبشی، محدوده اندازه قطعات تهیه شده توسط SLM محدود خواهد بود. لیزرهای پرقدرت و تجهیزات نوری با کیفیت بالا برای تولید گران هستند که تا حدودی بار اقتصادی را افزایش می‌دهد. به دلیل استفاده از مواد پودری در فناوری SLM، کیفیت سطح قطعات قالب‌گیری شده ممکن است مشکل‌ساز باشد که نیاز به پردازش ثانویه محصول برای استفاده در کارهای بعدی دارد. عیوب کروی شدن و تاب برداشتن نیز ممکن است در فرآیند پردازش رخ دهد که نیاز به یک مرحله دیگر برای بهینه‌سازی دقیق روش پردازش دارد. ذوب پرتو الکترونی، EBM فرآیندی است که از پرتو الکترونی به عنوان منبع گرما برای ذوب لایه به لایه پودر فلز در محیط خلاء برای تولید افزایشی استفاده می‌کند.

اصل کار آن این است: پودر از پیش پوشش داده شده، پرتو الکترونی پرانرژی پس از تمرکز، انرژی بالایی را در ناحیه کوچک محلی منحرف می‌کند تا لایه پودر را اسکن کند تا دمای بالایی تولید کند و حتی ذوب شود، از طریق اسکن مداوم پرتو الکترونی، انرژی بین ذوب مذاب و انجماد تولید می‌شود و به یک لایه فلزی خطی و مسطح متصل می‌شود.

پس از اتمام لایه فعلی، عملیات لایه گذاری پودر را برای شکل دهی تکرار کنید. در فرآیند تولید، EBM محیط ذوب هوای واقعی را اتخاذ می‌کند تا استحکام بالای ماده را تضمین کرده و از اکسیداسیون آلیاژ جلوگیری کند. در مقایسه با SLM، مزایای اصلی EBM عبارتند از: تولید کارآمد توان پرتو الکترونی، مصرف انرژی کمتری دارد، سرعت تولید بالا است، به طوری که توان کل واقعی کل دستگاه بالا است. انحراف پرتو الکترونی نیازی به حرکت قطعه تجهیزات ندارد که این امر سرعت اسکن را بیشتر بهبود می‌بخشد. محیط حرارتی خوب، پایداری شکل قطعات چاپ سه بعدی را تضمین می‌کند، خواص مکانیکی استاتیک آن را تضمین می‌کند، الزامات بیولوژیکی را برآورده می‌کند و پودر فلز نیز قابل بازیافت است.

وضعیت و پیشرفت ایمپلنت‌های جراحی چاپ سه‌بعدی

ایمپلنت‌های جراحی و ارتزهای چاپ سه‌بعدی، چشم‌انداز کاربردی امیدوارکننده‌ای در زمینه استخوان‌شناسی دارند. اکنون تعداد بیشتری از آنها وجود دارد. مواد ایمپلنت چاپ سه بعدی مانند سمعک، اندام‌های مصنوعی، راهنماهای جراحی ارتوپدی شخصی‌سازی‌شده، مفاصل مصنوعی، گوش‌های بیرونی مصنوعی، ایمپلنت‌های دندانی شخصی‌سازی‌شده و سایر کاربردها در درمان‌های شخصی‌سازی‌شده بالینی. طبق گزارش‌ها، در سال ۲۰۱۴، محققان دانشگاه پکن با موفقیت یک ستون فقرات مصنوعی چاپ سه‌بعدی شخصی‌سازی‌شده با سوراخ‌های ریز را به یک پسر ۱۲ ساله پیوند زدند که اولین مورد در جهان بود. در همان سال، پزشکان و دانشمندان یک کف دست مصنوعی چاپ سه‌بعدی را به یک دختر ۵ ساله در اسکاتلند وصل کردند.

مرکز تخصصی دندانپزشکی بیمارستان ۴۱۱ ارتش آزادی‌بخش خلق با موفقیت از فناوری EBM برای سفارشی‌سازی و کاشت ایمپلنت آلیاژ تیتانیوم فک پایین با شبیه‌سازی بسیار شخصی‌سازی‌شده آناتومی برای یک بیمار تحت عمل جراحی برداشتن نیمه فک بالا استفاده کرد. در طول عمل، برداشتن فک پایین بیمار و ترمیم عملکردی فردی در یک زمان انجام شد و فک پایین معیوب به صورت جداگانه ترمیم و بازسازی شد. اثر پس از عمل رضایت‌بخش بود. Lethaus B و سایر محققان از فناوری چاپ سه‌بعدی برای بازسازی استخوان و فلپ‌های ریز عروقی در ۲۰ بیمار تحت عمل جراحی برداشتن فک پایین استفاده کردند که باعث کوتاه شدن زمان عمل و بهبود کیفیت عمل شد و اثر پس از عمل خوب بود. در سال‌های اخیر، اخبار و تحقیقات مشابهی در جریانی بی‌پایان منتشر شده است که کاملاً منعکس‌کننده چشم‌اندازهای خوب کاربرد چاپ سه‌بعدی در حوزه پزشکی است.

در کنار محصولات ارتوپدی، مواد ایمپلنت جراحی چاپ سه‌بعدی نیز به تدریج به سمت تجاری‌سازی و بازاریابی حرکت می‌کنند. در سال ۲۰۰۷، کاسه‌های استابولوم چاپ سه‌بعدی شده با داربست‌های بافت سخت که توسط شرکت ایتالیایی Adler Ortho و LIma-LTO توسعه داده شده بودند، گواهینامه CE را دریافت کردند. محصول Exactech در سال ۲۰۱۰ توسط FDA تأیید شد. در سال ۲۰۰۹، دستگاه جوش بدن تمام تیتانیومی تولید شده توسط شرکت آمریکایی AMT با استفاده از چاپ سه‌بعدی نیز گواهینامه CE اتحادیه اروپا را دریافت کرد. در سال ۲۰۱۳، اولین محصول ایمپلنت جمجمه چاپ سه‌بعدی شده با چاپ سه‌بعدی در ایالات متحده توسط FDA تأیید شد که همچنین اولین فیگور ایمپلنت جمجمه PEEK شخصی‌سازی شده چاپ سه‌بعدی در جهان است.

بر این اساس، در سال ۲۰۱۴، شرکت آکسفورد ایالات متحده تأییدیه FDA را برای محصولات استخوانی فک و صورت چاپ سه‌بعدی (حالت ۵IOK) دریافت کرد. علاوه بر این، گزارش شده است که در سپتامبر ۲۰۱۵، ایمپلنت انسانی چاپ سه‌بعدی - مفصل ران مصنوعی که توسط بیمارستان سوم پزشکی پکن و شرکت تجهیزات پزشکی پکن آیکانگ ییچنگ توسعه داده شده است، توسط سازمان غذا و داروی کشور ثبت شده است. مفصل ران چاپ سه‌بعدی وارد "مرحله تولید انبوه" شده است، به این معنی که ایمپلنت‌های چاپ سه‌بعدی چین نیز وارد مرحله تولید شده‌اند.

فناوری چاپ سه‌بعدی نقش فزاینده‌ای در علم پزشکی و نوآوری در فناوری نشان داده است و تحقیق و کاربرد انواع پروتزهای ایمپلنت شخصی‌سازی‌شده، اندام‌های مصنوعی، ایمپلنت‌های دندانی و سایر جنبه‌ها نیز گسترده‌تر شده است. بنابراین، ارزیابی ایمنی زیستی ایمپلنت‌های تهیه‌شده با این فرآیند جدید نیاز به توجه بیشتری دارد.

تحقیق در مورد ایمنی زیستی تیتانیوم چاپ سه بعدی

ایمنی مواد زیست‌پزشکی عمدتاً در تعامل بین بافت‌ها و مواد منعکس می‌شود. برای اینکه مواد فلزی زیست‌پزشکی استانداردهای دستگاه‌های کاشته‌شده را رعایت کنند، باید واکنش ناشی از کاشت در بدن انسان در سطح قابل قبولی باشد و در عین حال، نتواند تغییرات کیفی در ساختار و خواص ماده ایجاد کند. تعامل بین بدن انسان و بدن انسان عمدتاً در زیست‌سازگاری و عملکرد بیولوژیکی آن منعکس می‌شود.

بنابراین، پس از کاشت در بدن انسان، ایمپلنت نباید باعث واکنش‌های نامطلوبی مانند آلرژی، التهاب و واکنش‌های شیمیایی در سلول‌های انسانی، خون و اندام‌ها یا دفع اجسام خارجی انسان شود. در عین حال، لازم است ایمپلنت‌هایی که نیاز به کاشت طولانی مدت دارند، از خواص مکانیکی استاتیک خوبی برخوردار باشند، یعنی استحکام کافی، مدول الاستیک مناسب، پایداری بالا، مقاومت در برابر خوردگی خوب و دوام بادوام. اکنون کاشت جراحی آلیاژ تیتانیوم به طور گسترده در عمل بالینی مورد استفاده قرار می‌گیرد و تحقیقات زیست سازگاری نیز به بلوغ رسیده است. بنابراین، ایمنی قطعات آلیاژ تیتانیوم مربوط به چاپ سه بعدی عمدتاً بر ایمنی عملکرد بیومکانیکی آن متمرکز است.

تحقیقات در مورد اینکه آیا ایمپلنت فلزی چاپ سه‌بعدی از نظر خواص مکانیکی، مقاومت در برابر خوردگی و زیست‌سازگاری با محصولات ایمپلنت عمومی فرآیند سنتی قابل مقایسه است یا خیر، و اینکه آیا برخی از خواص مکانیکی استاتیک ایمپلنت آلیاژی می‌تواند کاربردهای بالینی و استانداردهای ملی را برآورده کند، هنوز در حال انجام است. مشخص شده است که خواص مکانیکی استاتیک جزئی ایمپلنت‌های تیتانیومی چاپ سه‌بعدی می‌توانند نیازهای بالینی را برآورده کنند. نمونه‌های Ti6A14V تهیه‌شده با تکنیک EBM با آزمایش کشش مستقیم و آزمایش فشار ایزواستاتیک گرم آزمایش شدند. نتایج نشان داد که استحکام نمونه‌های TI6A14V از استاندارد آهنگری فراتر رفته است.

مقاومت در برابر خوردگی آلیاژ Co-Cr-Mo تهیه شده با فناوری SLM مشابه آلیاژ تهیه شده با فرآیند سنتی است و میزان انحلال یون در محیط بزاق شبیه‌سازی شده در چاپ سه‌بعدی کمتر از آلیاژ با فرآیند سنتی است. شرکت EOS دریافت که محصول Ti6A14V تهیه شده با فناوری DMLS، پس از پردازش معقول، دارای خواص مکانیکی استاتیک و مقاومت خستگی مشابه آهنگری سنتی است. دستگاه جوش مهره‌های آلیاژ تیتانیوم متخلخل تهیه شده با EBM در بدن بز کاشته شد و نتایج خوبی در مدل جوش گردنی گوسفند به دست آورد. سطح مشترک استخوان-ماده بهتر از دستگاه جوش PEEK بود.

از نظر بالینی، مدول الاستیک و سایر خواص مکانیکی آلیاژ تیتانیوم با خواص استخوان انسان مطابقت ندارد، که منجر به پدیده "محافظت در برابر استرس" در بافت استخوان محیطی ایمپلنت و ایجاد پوکی استخوان می‌شود که منجر به جذب استخوان، شل شدن و از بین رفتن ایمپلنت و شکست می‌شود. به منظور کاهش این مشکل با ایمپلنت‌های تیتانیومی، ایمپلنت‌های با ساختار متخلخل مورد توجه محققان قرار گرفته‌اند. اکنون، مطالعات نشان داده‌اند که چاپ سه‌بعدی می‌تواند ریزساختار ایمپلنت‌ها را با دقت بالا تنظیم کند تا مدول الاستیک و خواص مکانیکی آنها را تغییر دهد، به طوری که با بافت استخوان انسان مطابقت داشته باشد و عملکردهای بیومکانیکی را بر اساس تضمین بار فیزیولوژیکی مناسب، بهبود بخشد.

ساختار کنترل‌شده‌ی بدنه‌ی Ti6AI4V با استفاده از فناوری شکل‌دهی EBM ساخته شد و ساختار حفره‌های داخلی آن با طراحی نظری زیر میکروسکوپ الکترونی روبشی مطابقت داشت که منجر به کنترل دقیق EBM بر ساختار محصولات چاپ سه‌بعدی شد. از طریق آزمایش عملکرد مکانیکی، مقاومت فشاری مربوطه 163 مگاپاسکال و مدول الاستیک 14 مگاپاسکال در تخلخل منافذ 60.1٪ بود که نزدیک به استخوان انسان است. کشت سلولی آزمایشگاهی نیز سازگاری سلولی خوبی را نشان داد.

داربست‌های متخلخل با استفاده از فناوری EBM و از طریق بهینه‌سازی پارامترهای طراحی تهیه شدند و خواص مکانیکی آنها ارزیابی شد. مشخص شد که بیومکانیک مواد متخلخل طراحی‌شده در شبیه‌سازی سازگاری فازی و تطابق کاشت، از درجه بالایی از برتری برخوردار است. سه نوع تیتانیوم متخلخل با ضخامت‌های 300 گرم بر متر، 600 گرم بر متر و 900 میکرومتر که توسط SLM تهیه شده بودند، برای بررسی تأثیر نسبت منافذ بر رشد استخوان، در استخوان درشت‌نی خرگوش کاشته شدند. نتایج نشان داد که بافت استخوان با ساختار متخلخل 600 میکرومتر، طول و زیست‌سازگاری بهتری دارد.

از نظر رشد استخوان، داربستی با تخلخل و روزنه قابل تنظیم، برای انتقال و جابجایی مواد مغذی در بدن انسان مفیدتر خواهد بود و همچنین می‌تواند توانایی رشد استخوان را افزایش دهد، ترکیب ایمپلنت‌ها و بسترهای استخوانی را افزایش دهد و عمر مفید پروتز را افزایش دهد تا اثرات پزشکی بهتری نسبت به آلیاژ تیتانیوم با ساختار جامد به دست آید. در سال‌های اخیر، آلیاژ تیتانیوم چند سوراخه گام به گام به عنوان ایده‌آل‌ترین مواد بالینی جدید برای ترمیم و جایگزینی بافت سخت در نظر گرفته می‌شود و کاربرد ایمپلنت‌های آلیاژ تیتانیوم چاپ سه‌بعدی با ساختارهای میکروسکوپی مختلف یا از طریق ساختارها نیز زمینه جدیدی را گشوده است.