Un novo estudo atopa que os implantes médicos de titanio son altamente efectivos

Proceso de impresión 3D de titanio

En comparación co proceso tradicional, as vantaxes da tecnoloxía de impresión 3D para fabricar figuras de implantes cirúrxicos personalizadas reflíctese principalmente en: as características de forma libre da impresión 3D poden personalizar de forma rápida e precisa o implante interno, pode superar a forma de figura de implante universal tradicional é incompatible co corpo humano e as súas propiedades mecánicas non están á altura dos problemas estándar; Na fabricación de estruturas complexas e produtos difíciles de procesar, as microestruturas personalizadas, especialmente as porosas a través de estruturas, non só poden cumprir propiedades físicas e químicas específicas, senón tamén mellorar a biohistocompatibilidade.

Esta serie de vantaxes pode superar eficazmente os problemas comúns de protección contra o estrés e a baixa actividade biolóxica dos implantes. Na actualidade, as aliaxes de titanio de impresión 3D máis utilizadas e amplamente utilizadas son a tecnoloxía SLM e a tecnoloxía EBM.

A fusión selectiva por láser (SLM) usa o láser como fonte de calor para irradiar selectivamente materiais en po preestablecidos para lograr unha rápida formación de fusión. O principio de funcionamento principal é que, baixo o ambiente de protección de gas inerte, o instrumento e o equipo controlan o raio láser segundo o camiño de exploración de recheo xerado polo modo de deseño do sistema para seleccionar e derreter cada capa de po.

A continuación, a plataforma móvese cara abaixo, volve a colocarse o po e repítese a sinterización ata que se forme toda a forma. A protección de gas inerte impide que o metal reaccione con outros gases a altas temperaturas. A tecnoloxía SLM é unha gama moi ampla de materiais de conformación, aforro de material e reciclable, non é necesario deseñar e preparar un sistema de soporte complexo, esta serie de vantaxes fan que a tecnoloxía SLM sexa cada vez máis amplamente utilizada.

Non obstante, SLM tamén ten algúns inconvenientes: debido á limitada potencia do láser e ao ángulo de deflexión do galvanómetro de dixitalización, o rango de tamaño das pezas preparadas por SLM será limitado; Os láseres de alta potencia e os equipos ópticos de alta calidade son caros de fabricar, o que aumenta a carga económica ata certo punto. Debido ao uso de materiais en po na tecnoloxía SLM, a calidade superficial das pezas moldeadas pode ser problemática, o que require un procesamento secundario do produto para o seu uso posterior; Tamén se poden producir defectos de esferoidización e deformación no proceso de procesamento, o que require un paso máis para optimizar estritamente o procedemento de procesamento. A fusión do feixe de electróns, EBM é un proceso que utiliza o feixe de electróns como fonte de calor para fundir capa por capa o po metálico en ambiente de baleiro para a fabricación aditiva.

O seu principio de funcionamento é: po pre-revestido, deflexión do feixe de electróns de alta enerxía despois do foco para producir alta enerxía na pequena área local para escanear a capa de po para producir alta temperatura e mesmo fundir, a través do escaneo continuo do feixe de electróns para producir enerxía entre a fusión e solidificación da piscina de fusión, conectada nunha capa metálica lineal e plana.

Despois de rematar a capa actual, repita a operación de colocación de po para formar. No proceso de produción, EBM adopta o verdadeiro ambiente de fusión do aire para garantir a alta resistencia do material e evitar a oxidación da aliaxe. En comparación co SLM, as principais vantaxes de EBM son: a xeración eficiente de enerxía do feixe de electróns consome menos enerxía, a velocidade de produción é alta, polo que a potencia total real de toda a máquina é alta; A desviación do feixe de electróns non precisa mover a parte do equipo, o que mellora aínda máis a velocidade de exploración. O bo ambiente térmico garante a estabilidade da forma das pezas impresas en 3D, garante as súas propiedades mecánicas estáticas, cumpre os requisitos biolóxicos e o po metálico tamén se pode reciclar.

O estado e o progreso dos implantes cirúrxicos impresos en 3D

Os implantes cirúrxicos e as ortopédicas con impresión 3D teñen unha perspectiva de aplicación prometedora no campo da osteoloxía. Agora hai máis e máisMateriais de implantes impresos en 3Dcomo audífonos, membros protésicos, guías de cirurxía ortopédica personalizadas, articulacións artificiais, oídos externos artificiais, implantes dentais personalizados e outras aplicacións no tratamento clínico personalizado. Segundo os informes, en 2014, investigadores da Universidade de Pequín implantaron con éxito a un neno de 12 anos unha columna vertebral artificial personalizada impresa en 3D con micro-buracos, que foi o primeiro caso no mundo. Ese mesmo ano, médicos e científicos equiparon a unha nena de 5 anos en Escocia cunha prótesis de palma impresa en 3D.

O Centro de Especialidade de Estomatoloxía do Hospital 411 do Exército Popular de Liberación utilizou con éxito a tecnoloxía EBM para personalizar e implantar un implante mandibular de aliaxe de titanio cunha simulación altamente personalizada da anatomía para un paciente con resección hemimaxilar. Durante a operación, a resección da mandíbula enferma e a reparación funcional individualizada completouse nunha soa vez, e a mandíbula defectuosa foi reparada e reconstruída individualmente. O efecto postoperatorio foi satisfactorio. Lethaus B e outros investigadores utilizaron tecnoloxía de impresión 3D para reconstruír colgajos óseos e microvasculares en 20 pacientes con resección mandibular, o que acurtou o tempo da operación e mellorou a calidade da operación, e o efecto postoperatorio foi bo. Nos últimos anos, noticias e investigacións similares xurdiron nun fluxo interminable, o que reflicte plenamente as boas perspectivas de aplicación da impresión 3D no ámbito médico.

Do lado dos produtos ortopédicos, os materiais de implantes cirúrxicos impresos en 3D tamén están avanzando gradualmente cara á comercialización e comercialización. En 2007, copas de acetábulo impresas en 3D bioimpresas con andamios de tecido duro desenvolvidas pola empresa italiana Adler Ortho e LIma-LTO pasaron a certificación CE. O produto de Exactech foi aprobado pola FDA en 2010. En 2009, o dispositivo de fusión corporal de titanio producido pola empresa estadounidense AMT mediante impresión 3D tamén pasou a certificación CE da UE. En 2013, o primeiro produto de implante de cranio bioimpreso dos Estados Unidos foi aprobado pola FDA, que tamén é a primeira figura de implante de cranio PEEK impresa en 3D do mundo.

Sobre esta base, en 2014, a Compañía Oxford de Estados Unidos recibiu a aprobación da FDA para imprimir produtos óseos maxilofaciales en 3D (modo 5IOK). Ademais, infórmase de que en setembro de 2015, o implante humano impreso en 3D - articulación artificial da cadeira desenvolvido polo Terceiro Hospital de Medicina de Pequín e Beijing Aikang Yicheng Medical Equipment Co., LTD., foi rexistrado pola Administración Estatal de Alimentos e Medicamentos. A articulación da cadeira impresa en 3D entrou na "etapa de produción en masa", o que significa que os implantes de impresión 3D de China tamén entraron na fase de produción.

A tecnoloxía de impresión 3D demostrou un papel cada vez máis importante na ciencia médica e a innovación tecnolóxica, e a investigación e aplicación de varias próteses de implantes personalizadas, membros protésicos, implantes dentais e outros aspectos tamén son cada vez máis extensas. Así, a avaliación da bioseguridade dos implantes preparados por este novo proceso necesita cada vez máis atención.

Investigación sobre a bioseguridade do titanio da impresión 3D

A seguridade dos materiais biomédicos reflíctese principalmente na interacción entre tecidos e materiais. Para que os materiais metálicos biomédicos cumpran os estándares dos dispositivos implantados, debe esixirse que a reacción causada pola implantación no corpo humano estea nun nivel aceptable e, ao mesmo tempo, non poida inducir cambios cualitativos na estrutura e propiedades do material. A interacción entre o corpo humano e o corpo humano reflíctese principalmente na súa biocompatibilidade e función biolóxica.

Polo tanto, despois da implantación no corpo humano, o implante non debe causar reaccións adversas como alerxia, inflamación e química en células, sangue e órganos humanos, ou o rexeitamento de corpos estraños humanos. Ao mesmo tempo, tamén se require que os implantes que se deben implantar durante moito tempo teñan boas propiedades mecánicas estáticas, é dicir, resistencia suficiente, módulo elástico adecuado, alta estabilidade, boa resistencia á corrosión e durabilidade duradeira. Agora a implantación cirúrxica de aliaxe de titanio úsase amplamente na práctica clínica e a investigación sobre a biocompatibilidade tamén está madura. Polo tanto, a seguridade das pezas de aliaxe de titanio relacionadas coa impresión 3D céntrase principalmente na seguridade da súa función biomecánica.

A investigación sobre se o implante metálico impreso en 3D é comparable aos produtos xerais do implante do proceso tradicional en termos de propiedades mecánicas, resistencia á corrosión e biocompatibilidade, e se algunhas das propiedades mecánicas estáticas do implante de aliaxe poden cumprir coa aplicación clínica e as normas nacionais aínda está en curso. Descubriuse que as propiedades mecánicas estáticas parciais dos implantes de titanio impresos en 3D poden satisfacer as necesidades clínicas. As mostras de Ti6A14V preparadas pola técnica EBM foron probadas mediante proba de tracción directa e proba de prensado isostático en quente. Os resultados mostraron que a forza das mostras TI6A14V superou o estándar de forxa.

A resistencia á corrosión da aliaxe Co-Cr-Mo preparada pola tecnoloxía SLM é similar á da aliaxe preparada polo proceso tradicional, e a cantidade de disolución de ións no ambiente salival simulado é menor de impresión en 3D que a da aliaxe de proceso tradicional. A empresa EOS descubriu que o produto Ti6A14V preparado mediante a tecnoloxía DMLS ten as mesmas propiedades mecánicas estáticas e resistencia á fatiga que a forxa tradicional mediante un posprocesamento razoable. O dispositivo de fusión de vértebras de aliaxe de titanio poroso preparado por EBM implantouse no corpo de cabra e logrou bos resultados no modelo de fusión cervical de ovellas. A interface óso-material foi mellor que o dispositivo de fusión PEEK.

Clinicamente, o módulo elástico e outras propiedades mecánicas da aliaxe de titanio non coinciden coas propiedades do óso humano, o que levará ao fenómeno de "protección contra o estrés" no tecido óseo periférico do implante e provocará osteoporose, o que provocará absorción ósea, afrouxamento e perda do implante e falla. Para reducir este problema cos implantes de titanio, os implantes de estrutura porosa entraron nos ollos dos investigadores. Agora, os estudos demostraron que a impresión 3D pode axustar a microestrutura dos implantes con alta precisión para cambiar o seu módulo elástico e as súas propiedades mecánicas, de xeito que coincida co tecido óseo humano e mellorar aínda máis as funcións biomecánicas en función de garantir unha carga fisiolóxica adecuada.

A estrutura controlada do corpo Ti6AI4V foi fabricada mediante tecnoloxía de conformación EBM, e descubriuse que a estrutura do baleiro interno era consistente co deseño teórico baixo microscopía electrónica de varrido, que conseguiu o control preciso de EBM na estrutura dos produtos impresos en 3D. A través da proba de rendemento mecánico, a resistencia á compresión correspondente é de 163 MPa e o módulo elástico é de 14 MPa cunha porosidade do poro do 60,1%, que está preto do óso humano. O cultivo celular in vitro tamén mostrou unha boa compatibilidade celular.

Os andamios porosos preparáronse mediante tecnoloxía EBM mediante a optimización dos parámetros de deseño, e avaliáronse as súas propiedades mecánicas. Descubriuse que a biomecánica dos materiais porosos deseñados tiña un alto grao de superioridade na simulación da compatibilidade de fase e da coincidencia de implantación. Implantáronse tres tipos de titanio poroso con 300 g, 600 g e 900 ~ tm preparados por SLM na tibia do coello para investigar o efecto da proporción de poros no crecemento óseo. Os resultados mostraron que o tecido óseo cunha estrutura porosa de 600 ~ m tiña mellor lonxitude e biocompatibilidade.

Desde o punto de vista do crecemento óseo, unha estada con porosidade e apertura axustables será máis propicia para a transmisión e transmisión de nutrientes no corpo humano, e tamén pode promover a capacidade de crecemento óseo, aumentar a combinación de implantes e camas óseas e prolongar a vida útil da prótese, para obter mellores efectos médicos que a aliaxe de titanio de estrutura sólida. Nos últimos anos, a aliaxe de titanio con varios buracos, paso a paso, considérase o material clínico máis ideal para a reparación e substitución de tecidos duros, e a aplicación de implantes de aliaxe de titanio impresos en 3D con varias estruturas microscópicas ou a través de estruturas tamén abriu un novo campo.