Studi Baru Menemukan Implan Medis Titanium Sangat Efektif

Proses pencetakan 3D titanium

Dibandingkan dengan proses tradisional, keunggulan teknologi cetak 3D untuk pembuatan figur implan bedah yang dipersonalisasi terutama tercermin dalam: karakteristik pembentukan bebas cetak 3D dapat dengan cepat dan akurat menyesuaikan implan internal, dapat mengatasi bentuk figur implan universal tradisional yang tidak sesuai dengan tubuh manusia dan sifat mekanisnya tidak memenuhi masalah standar; Dalam pembuatan struktur kompleks dan produk yang sulit diproses, struktur mikro yang dipersonalisasi, terutama struktur berpori, tidak hanya dapat memenuhi sifat fisik dan kimia tertentu, tetapi juga meningkatkan biohistokompatibilitas.

Serangkaian keunggulan ini secara efektif dapat mengatasi masalah umum pelindung stres dan rendahnya aktivitas biologis implan. Saat ini, paduan titanium cetak 3D yang paling umum dan banyak digunakan adalah teknologi SLM dan teknologi EBM.

Selective Laser Melting (SLM) menggunakan laser sebagai sumber panas untuk secara selektif menyinari material bubuk yang telah disiapkan sebelumnya guna mencapai proses peleburan yang cepat. Prinsip kerja utamanya adalah di bawah lingkungan perlindungan gas inert, instrumen dan peralatanPmKontrol sinar laser sesuai dengan jalur pemindaian pengisian yang dihasilkan oleh mode desain sistem untuk memilih dan melelehkan setiap lapisan bubuk.

Kemudian platform dipindahkan ke bawah, bubuk diletakkan lagi dan Sintering Proses ini diulang hingga seluruh bentuk terbentuk. Perlindungan gas inert mencegah logam bereaksi dengan gas lain pada suhu tinggi. Teknologi SLM menawarkan rentang material pembentuk yang sangat luas, hemat material, dan dapat didaur ulang, serta tidak memerlukan desain dan persiapan sistem pendukung yang rumit. Keunggulan inilah yang membuat teknologi SLM semakin banyak digunakan.

Namun, SLM juga memiliki beberapa kekurangan: karena daya laser dan sudut defleksi galvanometer pemindaian terbatas, rentang ukuran komponen yang disiapkan oleh SLM akan terbatas; Laser berdaya tinggi dan peralatan optik berkualitas tinggi mahal untuk diproduksi, yang meningkatkan beban ekonomi sampai batas tertentu. Karena penggunaan bahan bubuk dalam teknologi SLM, kualitas permukaan komponen yang dicetak mungkin bermasalah, yang memerlukan pemrosesan sekunder produk yang akan digunakan untuk pekerjaan selanjutnya; Cacat sferoidisasi dan lengkungan juga dapat terjadi dalam proses pemrosesan, yang memerlukan langkah lebih lanjut untuk mengoptimalkan prosedur pemrosesan secara ketat Peleburan berkas elektron, EBM adalah proses yang menggunakan berkas elektron sebagai sumber panas untuk melelehkan bubuk logam lapis demi lapis dalam lingkungan vakum untuk manufaktur aditif.

Prinsip kerjanya adalah: bubuk yang telah dilapisi sebelumnya, pembelokan berkas elektron berenergi tinggi setelah difokuskan untuk menghasilkan energi tinggi di area kecil setempat untuk memindai lapisan bubuk guna menghasilkan suhu tinggi dan bahkan lelehan, melalui pemindaian berkas elektron yang berkelanjutan untuk menghasilkan energi antara fusi dan pemadatan kolam lelehan, yang terhubung ke dalam lapisan logam linier dan planar.

Setelah lapisan saat ini selesai, ulangi proses pelapisan bubuk untuk membentuk. Dalam proses produksi, EBM mengadopsi lingkungan peleburan udara sejati untuk memastikan kekuatan material yang tinggi dan menghindari oksidasi paduan. Dibandingkan dengan SLM, keunggulan utama EBM adalah: pembangkitan daya berkas elektron yang efisien, konsumsi daya yang lebih rendah, kecepatan produksi yang tinggi, sehingga daya total aktual seluruh mesin tinggi; Pembelokan berkas elektron tidak perlu menggerakkan komponen peralatan, yang selanjutnya meningkatkan kecepatan pemindaian. Lingkungan termal yang baik memastikan stabilitas bentuk komponen cetak 3D, memastikan sifat mekanik statisnya, memenuhi persyaratan biologis, dan bubuk logam juga dapat didaur ulang.

Status dan kemajuan implan bedah cetak 3D

Implan bedah dan ortotik dengan pencetakan 3D memiliki prospek aplikasi yang menjanjikan di bidang osteologi. Kini semakin banyak Bahan implan cetak 3D seperti alat bantu dengar, anggota tubuh palsu, panduan bedah ortopedi yang dipersonalisasi, sendi buatan, telinga luar buatan, implan gigi yang dipersonalisasi, dan aplikasi lain dalam perawatan klinis yang dipersonalisasi. Menurut laporan, pada tahun 2014, para peneliti di Universitas Peking berhasil memasang tulang belakang buatan hasil cetak 3D yang dipersonalisasi dengan lubang mikro pada seorang anak laki-laki berusia 12 tahun, yang merupakan kasus pertama di dunia. Pada tahun yang sama, para dokter dan ilmuwan memasang telapak tangan palsu hasil cetak 3D pada seorang anak perempuan berusia 5 tahun di Skotlandia.

Pusat Spesialis Gigi Rumah Sakit ke-411 Tentara Pembebasan Rakyat berhasil menerapkan teknologi EBM untuk menyesuaikan dan menanamkan implan paduan titanium mandibula dengan simulasi anatomi yang sangat personal bagi pasien reseksi hemimaksila. Selama operasi, reseksi mandibula yang sakit dan perbaikan fungsional individual diselesaikan sekaligus, sementara mandibula yang rusak diperbaiki dan direkonstruksi secara individual. Hasil pascaoperasinya memuaskan. Lethaus B. dan peneliti lainnya menggunakan teknologi cetak 3D untuk merekonstruksi flap tulang dan pembuluh darah mikro pada 20 pasien reseksi mandibula. Hal ini mempersingkat waktu operasi, meningkatkan kualitas operasi, dan memberikan hasil pascaoperasi yang baik. Dalam beberapa tahun terakhir, berita dan penelitian serupa terus bermunculan, yang sepenuhnya mencerminkan prospek penerapan cetak 3D yang baik di bidang medis.

Di sisi produk ortopedi, material implan bedah cetak 3D juga secara bertahap bergerak menuju komersialisasi dan pemasaran. Pada tahun 2007, cawan acetabulum cetak 3D bioprint dengan perancah jaringan keras yang dikembangkan oleh perusahaan Italia Adler Ortho dan LIma-LTO telah lulus sertifikasi CE. Produk Exactech telah disetujui oleh FDA pada tahun 2010. Pada tahun 2009, perangkat fusi tubuh titanium penuh yang diproduksi oleh perusahaan Amerika AMT menggunakan cetak 3D juga telah lulus sertifikasi CE Uni Eropa. Pada tahun 2013, produk implan tengkorak bioprint pertama di Amerika Serikat telah disetujui oleh FDA, yang juga merupakan figur implan tengkorak PEEK cetak 3D personalisasi pertama di dunia.

Atas dasar ini, pada tahun 2014, Perusahaan Oxford Amerika Serikat menerima persetujuan FDA untuk produk tulang maksilofasial cetak 3D (mode 5IOK). Selain itu, dilaporkan bahwa pada bulan September 2015, implan manusia cetak 3D - sendi panggul buatan yang dikembangkan oleh Rumah Sakit Kedokteran Ketiga Beijing dan Beijing Aikang Yicheng Medical Equipment Co., LTD., telah terdaftar di Badan Pengawas Obat dan Makanan Negara. Sendi panggul cetak 3D ini telah memasuki "tahap produksi massal", yang berarti implan cetak 3D Tiongkok juga telah memasuki tahap produksi.

Teknologi pencetakan 3D telah menunjukkan peran yang semakin penting dalam sains dan inovasi teknologi kedokteran, dan penelitian serta penerapan berbagai prostesis implan yang dipersonalisasi, anggota tubuh palsu, implan gigi, dan aspek lainnya juga semakin luas. Oleh karena itu, evaluasi biosafety implan yang disiapkan melalui proses baru ini membutuhkan perhatian yang semakin besar.

Penelitian tentang biosafety pencetakan 3D titanium

Keamanan material biomedis terutama tercermin dalam interaksi antara jaringan dan material. Agar material logam biomedis memenuhi standar perangkat implan, reaksi yang ditimbulkan oleh implantasi dalam tubuh manusia harus berada pada tingkat yang dapat diterima, dan pada saat yang sama, tidak dapat menyebabkan perubahan kualitatif pada struktur dan sifat material. Interaksi antara tubuh manusia dan tubuh manusia terutama tercermin dalam biokompatibilitas dan fungsi biologisnya.

Oleh karena itu, setelah ditanamkan ke dalam tubuh manusia, implan tersebut tidak boleh menimbulkan reaksi merugikan seperti alergi, peradangan, dan reaksi kimia pada sel, darah, dan organ manusia, serta penolakan benda asing. Di saat yang sama, implan yang perlu ditanamkan dalam jangka panjang juga harus memiliki sifat mekanik statis yang baik, yaitu kekuatan yang memadai, modulus elastisitas yang sesuai, stabilitas tinggi, ketahanan korosi yang baik, dan daya tahan yang lama. Saat ini, implantasi bedah paduan titanium banyak digunakan dalam praktik klinis, dan penelitian biokompatibilitasnya pun telah matang. Oleh karena itu, keamanan komponen paduan titanium yang terkait dengan pencetakan 3D terutama berfokus pada keamanan fungsi biomekaniknya.

Penelitian mengenai apakah implan logam cetak 3D sebanding dengan produk implan umum yang menggunakan proses tradisional dalam hal sifat mekanik, ketahanan korosi, dan biokompatibilitas, serta apakah beberapa sifat mekanik statis implan paduan dapat memenuhi aplikasi klinis dan standar nasional, masih terus berlangsung. Telah ditemukan bahwa sifat mekanik statis parsial implan titanium cetak 3D dapat memenuhi kebutuhan klinis. Sampel Ti6A14V yang disiapkan dengan teknik EBM diuji dengan uji tarik langsung dan uji tekan isostatik panas. Hasil penelitian menunjukkan bahwa kekuatan sampel TI6A14V melampaui standar penempaan.

Ketahanan korosi paduan Co-Cr-Mo yang dibuat dengan teknologi SLM serupa dengan paduan yang dibuat dengan proses tradisional, dan jumlah pelarutan ion dalam lingkungan saliva yang disimulasikan melalui pencetakan 3D lebih sedikit dibandingkan dengan paduan proses tradisional. Produk Ti6A14V yang dibuat dengan teknologi DMLS ditemukan oleh perusahaan EOS memiliki sifat mekanik statis dan ketahanan lelah yang sama dengan penempaan tradisional melalui proses pasca-pemrosesan yang memadai. Perangkat fusi vertebra paduan titanium berpori yang dibuat dengan EBM diimplan ke dalam tubuh kambing dan mencapai hasil yang baik dalam model fusi serviks domba. Antarmuka tulang-material lebih baik daripada perangkat fusi PEEK.

Secara klinis, modulus elastisitas dan sifat mekanis lainnya dari paduan titanium tidak sesuai dengan sifat tulang manusia, yang akan menyebabkan fenomena "pelindung stres" pada jaringan tulang perifer implan dan menyebabkan osteoporosis, yang mengakibatkan penyerapan tulang, pelonggaran, kehilangan implan, dan kegagalan. Untuk mengurangi masalah ini pada implan titanium, implan berstruktur berpori telah menjadi perhatian para peneliti. Kini, penelitian telah menunjukkan bahwa pencetakan 3D dapat menyesuaikan struktur mikro implan dengan presisi tinggi untuk mengubah modulus elastisitas dan sifat mekanisnya, sehingga sesuai dengan jaringan tulang manusia dan selanjutnya meningkatkan fungsi biomekanik dengan memastikan beban fisiologis yang sesuai.

Struktur bodi Ti6AI4V yang terkontrol diproduksi menggunakan teknologi pembentukan EBM, dan struktur rongga internalnya terbukti konsisten dengan desain teoritis di bawah mikroskop elektron pemindaian, yang menghasilkan kontrol EBM yang akurat pada struktur produk cetak 3D. Melalui uji kinerja mekanis, kuat tekan yang sesuai adalah 163MPa dan modulus elastisitasnya adalah 14MPa pada porositas pori 60,1%, yang mendekati tulang manusia. Kultur sel in vitro juga menunjukkan kompatibilitas sel yang baik.

Perancah berpori disiapkan menggunakan teknologi EBM melalui optimasi parameter desain, dan sifat mekaniknya dievaluasi. Biomekanika material berpori yang dirancang menunjukkan keunggulan tinggi dalam simulasi kompatibilitas fase dan pencocokan implantasi. Tiga jenis titanium berpori dengan ketebalan 300 gm, 600 gm, dan 900 tm yang disiapkan dengan SLM diimplantasikan ke tulang tibia kelinci untuk menyelidiki pengaruh rasio pori terhadap pertumbuhan tulang. Hasil penelitian menunjukkan bahwa jaringan tulang dengan struktur berpori 600 m memiliki panjang dan biokompatibilitas yang lebih baik.

Dari sudut pandang pertumbuhan tulang, perancah dengan porositas dan apertur yang dapat disesuaikan akan lebih kondusif bagi transmisi dan transmisi nutrisi dalam tubuh manusia, serta dapat meningkatkan kemampuan pertumbuhan tulang, meningkatkan kombinasi implan dan lapisan tulang, dan memperpanjang masa pakai prostesis, sehingga mencapai efek medis yang lebih baik daripada paduan titanium berstruktur padat. Dalam beberapa tahun terakhir, paduan titanium multi-lubang secara bertahap dianggap sebagai material perbaikan dan penggantian jaringan keras baru yang paling ideal secara klinis, dan penerapan implan paduan titanium cetak 3D dengan berbagai struktur mikroskopis atau struktur tembus juga telah membuka bidang baru.