Нова студија покажа дека медицинските импланти од титаниум се многу ефикасни
Процес на 3D печатење на титаниум
Во споредба со традиционалниот процес, предностите на технологијата за 3D печатење за производство на персонализирани фигури за хируршки импланти главно се рефлектираат во: 3D печатењето на слободните карактеристики можат брзо и прецизно да го приспособат внатрешниот имплант, може да ја надминат традиционалната универзална фигура на имплантот не е компатибилна со човечкото тело и нејзините механички својства не се во согласност со стандардните проблеми; Во производството на сложени структури и производи кои тешко се обработуваат, персонализираните микроструктури, особено порозни низ структурите, не само што можат да исполнат специфични физички и хемиски својства, туку и да ја подобрат биохистокомпатибилноста.
Оваа серија на предности може ефикасно да ги надмине вообичаените проблеми на заштита од стрес и ниска биолошка активност на имплантите. Во моментов, најчесто користените и широко користени легури на титаниум за 3D печатење се технологијата SLM и технологијата EBM.
Селективно ласерско топење (SLM) го користи ласерот како извор на топлина за селективно зрачење на претходно поставените материјали во прав за да се постигне брзо формирање на топење. Главниот принцип на работа е дека под околината за заштита на инертен гас, инструментот и опремата го контролираат ласерскиот зрак според патеката за скенирање на полнење генерирана од режимот на дизајнирање на системот за да се избере и стопи секој слој на прав.
Потоа платформата се поместува надолу, повторно се става прашок и се повторува синтерувањето додека не се формира целата форма. Заштитата на инертен гас го спречува металот да реагира со други гасови на високи температури. SLM технологијата е многу широк спектар на материјали за формирање, материјал за заштеда и рециклирање, не треба да се дизајнира и подготви комплексен систем за поддршка, оваа серија на предности ја прават SLM технологијата се повеќе и повеќе се користи.
Сепак, SLM има и некои недостатоци: поради ограничената моќност на ласерот и аголот на отклонување на галванометарот за скенирање, опсегот на големината на деловите подготвени од SLM ќе биде ограничен; Ласерите со висока моќност и висококвалитетната оптичка опрема се скапи за производство, што до одреден степен го зголемува економскиот товар. Поради употребата на прашкасти материјали во технологијата SLM, квалитетот на површината на обликуваните делови може да биде проблематичен, што бара секундарна обработка на производот да се користи за последователна работа; Дефектите на сфероидизација и искривување, исто така, може да се појават во процесот на обработка, што бара дополнителен чекор за строго оптимизирање на процедурата за обработка.
Нејзиниот принцип на работа е: претходно обложен прав, високо-енергетски отклон на електронскиот сноп по фокусирањето за да се произведе висока енергија во локалната мала област за да се скенира слојот во прав за да се добие висока температура, па дури и да се стопи, преку електронскиот зрак континуирано скенирање за да се произведе енергија помеѓу фузијата и зацврстувањето на базенот на топење, поврзан во линеарен и рамнински метален слој.
По завршувањето на тековниот слој, повторете ја операцијата за поставување прав за да се формира. Во процесот на производство, EBM ја прифаќа вистинската средина за топење на воздухот за да обезбеди висока јачина на материјалот и да ја избегне оксидацијата на легурата. Во споредба со SLM, главните предности на EBM се: ефикасното генерирање на моќноста на електронскиот сноп троши помалку енергија, брзината на производство е висока, така што вистинската вкупна моќност на целата машина е висока; Девијацијата на електронскиот зрак не треба да го поместува делот на опремата, што дополнително ја подобрува брзината на скенирање. Доброто термичко опкружување обезбедува стабилност на обликот на 3D печатените делови, ги обезбедува неговите статички механички својства, ги исполнува биолошките барања, а металниот прав исто така може да се рециклира.
Статусот и напредокот на 3D печатените хируршки импланти
Хируршките импланти и ортозата со 3D печатење имаат перспектива за примена во областа на остеологијата. Сега ги има се повеќе и повеќе3D печатени материјали за имплантикако што се СИДА за слух, протетски екстремитети, персонализирани водичи за ортопедска хирургија, вештачки зглобови, вештачки надворешни уши, персонализирани забни импланти и други апликации во клинички персонализиран третман. Според извештаите, во 2014 година, истражувачите од Универзитетот во Пекинг успешно му вградиле на 12-годишно момче персонализиран 3Д печатен вештачки рбет со микродупки, што беше прв случај во светот. Истата година, лекарите и научниците на едно 5-годишно девојче во Шкотска му поставија 3Д печатена протетска дланка.
Специјалистичкиот центар за стоматологија на 411-та болница на Народноослободителната армија успешно ја искористи технологијата EBM за приспособување и имплантација на имплант од легура на титаниум во мандибуларната линија со високо персонализирана симулација на анатомија за пациент со хемимаксиларна ресекција. За време на операцијата, еднократно беше завршена ресекција на заболената мандибула и индивидуализирана функционална поправка, а неисправната мандибула беше индивидуално санирана и реконструирана. Постоперативниот ефект беше задоволителен. Lethaus B и другите истражувачи користеа технологија за 3D печатење за да ги реконструираат коските и микроваскуларните клапи кај 20 пациенти со мандибуларна ресекција, што го скрати времето на операција и го подобри квалитетот на операцијата, а постоперативниот ефект беше добар. Во последниве години, слични вести и истражувања се појавија во бесконечен тек, што целосно ги одразува добрите изгледи за примена на 3D печатењето во медицинското поле.
На страната на ортопедските производи, 3D печатените материјали за хируршки импланти, исто така, постепено се движат кон комерцијализација и пазаризација. Во 2007 година, биопринтаните 3D печатени чаши од ацетабулум со скелиња од тврдо ткиво, развиени од италијанската компанија Adler Ortho и LIma-LTO поминаа CE сертификат. Производот на Exactech беше одобрен од FDA во 2010 година. Во 2009 година, уредот за фузија на целосно титаниум произведен од американската компанија AMT со користење на 3D печатење, исто така, ја помина ЕУ CE сертификатот. Во 2013 година, првиот биопечатен производ за имплантација на череп во Соединетите Американски Држави беше одобрен од FDA, кој е воедно и првата персонализирана 3D печатена фигура за имплант на череп PEEK во светот.
Врз основа на ова, во 2014 година, компанијата Оксфорд на Соединетите Држави доби одобрение од FDA за 3D печатење производи од максилофацијална коска (режим 5IOK). Дополнително, објавено е дека во септември 2015 година, 3D печатениот човечки имплант - вештачки зглоб на колкот развиен од Третата болница на Пекинг Медицина и Beijing Aikang Yicheng Medical Equipment Co., LTD., е регистриран од Државната администрација за храна и лекови. Зглобот на колкот со 3Д печатење влезе во „фазата на масовно производство“, што значи дека и кинеските импланти за 3D печатење зачекориле во фаза на производство.
Технологијата на 3D печатење покажа сè поважна улога во медицинската наука и технолошките иновации, а истражувањето и примената на различни персонализирани импланти протези, протетски екстремитети, забни импланти и други аспекти се исто така сè пообемни. Значи, евалуацијата на биосигурноста на импланти подготвени со овој нов процес бара се повеќе и повеќе внимание.
Истражување за биосигурност на 3D печатење титаниум
Безбедноста на биомедицинските материјали главно се рефлектира во интеракцијата помеѓу ткивата и материјалите. За биомедицинските метални материјали да ги задоволат стандардите на имплантирани уреди, мора да се бара реакцијата предизвикана од имплантацијата во човечкото тело да биде на прифатливо ниво, а во исто време да не може да предизвика квалитативни промени во структурата и својствата на материјалот. Интеракцијата помеѓу човечкото тело и човечкото тело главно се рефлектира во неговата биокомпатибилност и биолошка функција.
Затоа, по имплантацијата во човечкото тело, имплантот не треба да предизвикува негативни реакции како што се алергија, воспаление и хемија во човечките клетки, крвта и органите или отфрлање на човечки туѓи тела. Истовремено, се бара и имплантите кои треба да се вградуваат подолго време да имаат добри статички механички својства, односно доволна цврстина, соодветен модул на еластичност, висока стабилност, добра отпорност на корозија и издржлива издржливост. Сега хируршката имплантација на легура на титаниум е широко користена во клиничката пракса, а истражувањето за биокомпатибилност е исто така зрело. Затоа, безбедноста на деловите од легура на титаниум поврзани со 3D печатење главно се фокусира на безбедноста на неговата биомеханичка функција.
Сè уште е во тек истражувањето за тоа дали 3Д печатениот метален имплант е споредлив со општите имплантациски производи од традиционалниот процес во однос на механичките својства, отпорноста на корозија и биокомпатибилноста и дали некои од статичките механички својства на имплантот од легура можат да ги задоволат клиничката примена и националните стандарди. Откриено е дека делумните статички механички својства на 3D печатените титаниумски импланти можат да ги задоволат клиничките потреби. Примероците Ti6A14V подготвени со техниката EBM беа тестирани со директен тест на истегнување и тест со топло изостатско притискање. Резултатите покажаа дека јачината на примероците TI6A14V го надмина стандардот за ковање.
Отпорноста на корозија на легурата Co-Cr-Mo подготвена со технологијата SLM е слична на онаа на легурата подготвена со традиционалниот процес, а количината на растворање на јони во симулираната плунковна средина е помала 3D печатење од онаа на традиционалната процесна легура. Компанијата EOS откри дека производот Ti6A14V подготвен со технологија DMLS ги има истите статички механички својства и отпорност на замор како и традиционалното ковање преку разумна пост-обработка. Уредот за фузија на пршлени од порозна легура на титаниум подготвен од EBM беше вграден во козјо тело и постигна добри резултати во моделот на цервикална фузија на овци. Интерфејсот со коскениот материјал беше подобар од уредот за фузија PEEK.
Клинички, еластичниот модул и другите механички својства на легурата на титаниум не се совпаѓаат со својствата на човечката коска, што ќе доведе до феномен на „заштита од стрес“ во периферното коскено ткиво на имплантот и ќе предизвика остеопороза, што ќе резултира со апсорпција на коските, олабавување и губење на имплантот и откажување. Со цел да се намали овој проблем со титаниумските импланти, импланти со порозна структура влегоа во очите на истражувачите. Сега, студиите покажаа дека 3D печатењето може да ја прилагоди микроструктурата на имплантите со висока прецизност за да го промени нивниот еластичен модул и механички својства, така што ќе се совпадне со човечкото коскено ткиво и дополнително ќе ги подобри биомеханичките функции врз основа на обезбедување соодветно физиолошко оптоварување.
Контролираната структура на телото Ti6AI4V беше произведена со технологија за формирање EBM, а внатрешната празнина структура беше откриена дека е конзистентна со теоретскиот дизајн под скенирачка електронска микроскопија, со што се постигна точна контрола на EBM на структурата на 3D печатените производи. Преку тестот за механички перформанси, соодветната јакост на притисок е 163 MPa, а модулот на еластичност е 14 MPa при 60,1% порозност на порите, што е блиску до човечката коска. Ин витро клеточната култура исто така покажа добра клеточна компатибилност.
Порозните скелиња беа подготвени со EBM технологија преку оптимизација на дизајнерските параметри и беа оценети нивните механички својства. Откриено е дека биомеханиката на дизајнираните порозни материјали има висок степен на супериорност во симулацијата на компатибилноста на фазата и усогласувањето на имплантација. Три вида порозен титаниум со 300gm, 600gm и 900~tm подготвени од SLM беа вградени во тибијата на зајакот за да се испита ефектот на односот на порите врз растот на коските. Резултатите покажаа дека коскеното ткиво со порозна структура од 600~m има подобра должина и биокомпатибилност.
Од гледна точка на растот на коските, скелето со прилагодлива порозност и отвор ќе биде попогодно за пренос и пренос на хранливи материи во човечкото тело, а исто така може да ја промовира способноста за раст на коските, да ја зголеми комбинацијата на импланти и коскени кревети и да го продолжи работниот век на протезата, за да се добијат подобри медицински ефекти од цврстата структура на титан. Во последниве години, легурата на титаниум со повеќе дупки чекор по чекор се смета за најидеален клинички нов материјал за поправка и замена на тврдото ткиво, а примената на 3D печатени импланти од легура на титаниум со различни микроскопски структури или преку структури исто така отвори ново поле.