Ny studie finner titan medisinske implantater svært effektive

3D-utskrift titan prosess

Sammenlignet med den tradisjonelle prosessen, gjenspeiles fordelene med 3D-utskriftsteknologi for å produsere personlige kirurgiske implantatfigurer hovedsakelig i: 3D-utskrifts friformingsegenskaper kan raskt og nøyaktig tilpasse det interne implantatet, kan overvinne den tradisjonelle universelle implantatfiguren er uforenlig med menneskekroppen og dens mekaniske egenskaper er ikke opp til standardproblemer; Ved fremstilling av komplekse strukturer og produkter som er vanskelige å behandle, kan personlige mikrostrukturer, spesielt porøse strukturer, ikke bare møte spesifikke fysiske og kjemiske egenskaper, men også forbedre biohistokompatibiliteten.

Denne serien av fordeler kan effektivt overvinne de vanlige problemene med stressskjerming og lav biologisk aktivitet til implantater. For tiden er de mest brukte og mye brukte titanlegeringene for 3D-utskrift SLM-teknologi og EBM-teknologi.

Selective Laser Melting (SLM) bruker laser som varmekilde for selektivt å bestråle forhåndslagte pulvermaterialer for å oppnå rask smelting. Hovedarbeidsprinsippet er at under beskyttelsesmiljøet for inert gass kontrollerer instrumentet og utstyret laserstrålen i henhold til fyllingsskanningsbanen generert av systemdesignmodusen for å velge og smelte hvert lag med pulver.

Deretter flyttes plattformen ned, pulver legges igjen og sintring gjentas til hele formen er dannet. Inertgassbeskyttelsen hindrer metallet i å reagere med andre gasser ved høye temperaturer. SLM-teknologi er svært bredt spekter av formingsmaterialer, materialbesparende og resirkulerbare, trenger ikke å designe og forberede komplekse støttesystem, denne serien av fordeler gjør at SLM-teknologien blir mer og mer utbredt.

Imidlertid har SLM også noen ulemper: på grunn av den begrensede laserkraften og skanningsgalvanometerets avbøyningsvinkel, vil størrelsesområdet til deler som er utarbeidet av SLM være begrenset; Høyeffektlasere og optisk utstyr av høy kvalitet er dyre å produsere, noe som øker den økonomiske belastningen til en viss grad. På grunn av bruk av pulvermaterialer i SLM-teknologi kan overflatekvaliteten til de støpte delene være problematisk, noe som krever sekundær bearbeiding av produktet som skal brukes til etterfølgende arbeid; Sfæroidisering og vridningsdefekter kan også forekomme i prosesseringsprosessen, noe som krever et ytterligere trinn for å strengt optimalisere prosesseringsprosedyren Elektronstrålesmelting, EBM er en prosess som bruker elektronstråle som varmekilde for å smelte metallpulver lag for lag i vakuummiljø for additiv produksjon.

Dens arbeidsprinsipp er: forhåndsbelagt pulver, høyenergi-elektronstråleavbøyning etter fokusering for å produsere høy energi i det lokale lille området for å skanne pulverlaget for å produsere høy temperatur og jevn smelte, gjennom elektronstrålens kontinuerlige skanning for å produsere energi mellom smeltebassenget fusjon og størkning, koblet til et lineært og plant metalllag.

Etter å ha fullført det gjeldende laget, gjenta pulverleggingsoperasjonen for å danne. I produksjonsprosessen bruker EBM det sanne luftsmeltemiljøet for å sikre materialets høye styrke og unngå oksidasjon av legeringen. Sammenlignet med SLM er hovedfordelene med EBM: den effektive genereringen av elektronstrålekraft bruker mindre strøm, produksjonshastigheten er høy, slik at den faktiske totale kraften til hele maskinen er høy; Avbøyningen av elektronstrålen trenger ikke å flytte utstyrsdelen, noe som forbedrer skannehastigheten ytterligere. Det gode termiske miljøet sikrer formstabiliteten til 3D-printede deler, sikrer dens statiske mekaniske egenskaper, oppfyller biologiske krav, og metallpulveret kan også resirkuleres.

Status og fremgang for 3D-printede kirurgiske implantater

Kirurgiske implantater og ortoser med 3D-utskrift har et lovende brukspotensiale innen osteologi. Nå blir det flere og flere3D-printede implantatmaterialerslik som hørsels-AIDS, protetiske lemmer, personaliserte ortopediske kirurgiske guider, kunstige ledd, kunstige ytre ører, persontilpassede tannimplantater og andre applikasjoner i klinisk personlig behandling. I følge rapporter implanterte forskere ved Peking University i 2014 en 12 år gammel gutt med en personlig 3D-printet kunstig ryggrad med mikrohull, som var det første tilfellet i verden. Samme år utstyrte leger og forskere en 5 år gammel jente i Skottland med en 3D-printet protesehåndflate.

Stomatologisk spesialitetssenter ved 411th Hospital of the People's Liberation Army brukte EBM-teknologi til å tilpasse og implantere et underkjeveimplantat av titanlegering med svært personlig simulering av anatomi for en hemimaxillær reseksjonspasient. Under operasjonen ble reseksjonen av den syke underkjeven og individualisert funksjonell reparasjon gjennomført på én gang, og den defekte underkjeven ble individuelt reparert og rekonstruert. Den postoperative effekten var tilfredsstillende. Lethaus B og andre forskere brukte 3D-utskriftsteknologi for å rekonstruere bein- og mikrovaskulære klaffer hos 20 pasienter med mandibular reseksjon, noe som forkortet operasjonstiden og forbedret operasjonskvaliteten, og den postoperative effekten var god. De siste årene har lignende nyheter og forskning dukket opp i en endeløs strøm, som fullt ut gjenspeiler de gode bruksutsiktene til 3D-printing i det medisinske feltet.

På siden av ortopediske produkter beveger 3D-printede kirurgiske implantatmaterialer seg også gradvis mot kommersialisering og markedsføring. I 2007 bestod bioprintede 3D-trykte acetabulum-kopper med stillaser utviklet av det italienske selskapet Adler Ortho og LIma-LTO CE-sertifisering. Exactechs produkt ble godkjent av FDA i 2010. I 2009 besto den hel-titan kroppsfusjonsenhet produsert av det amerikanske AMT-selskapet ved bruk av 3D-utskrift også EU CE-sertifiseringen. I 2013 ble det første bioprintede hodeskalleimplantatproduktet i USA godkjent av FDA, som også er verdens første personaliserte 3D-trykte PEEK hodeskalleimplantatfigur.

På dette grunnlaget mottok United States Oxford Company i 2014 FDA-godkjenning for 3D-utskrift av kjevebeinprodukter (5IOK-modus). I tillegg er det rapportert at i september 2015 ble det 3D-printede menneskelige implantatet - kunstig hofteledd utviklet av Third Hospital of Beijing Medicine og Beijing Aikang Yicheng Medical Equipment Co., LTD., registrert av State Food and Drug Administration. Det 3D-printede hofteleddet har gått inn i «masseproduksjonsstadiet», noe som betyr at Kinas 3D-utskriftsimplantater også har gått inn i produksjonsstadiet.

3D-utskriftsteknologi har vist en stadig viktigere rolle i medisinsk vitenskap og teknologisk innovasjon, og forskning og anvendelse av ulike personlige implantatproteser, protetiske lemmer, tannimplantater og andre aspekter er også mer og mer omfattende. Så biosikkerhetsevalueringen av implantater utarbeidet av denne nye prosessen trenger mer og mer oppmerksomhet.

Forskning på biosikkerhet ved 3D-utskrift av titan

Sikkerheten til biomedisinske materialer gjenspeiles hovedsakelig i samspillet mellom vev og materialer. For at biomedisinske metallmaterialer skal oppfylle standardene til implanterte enheter, må det kreves at reaksjonen forårsaket av implantasjon i menneskekroppen er på et akseptabelt nivå, og samtidig kan det ikke indusere kvalitative endringer i materialets struktur og egenskaper. Samspillet mellom menneskekroppen og menneskekroppen gjenspeiles hovedsakelig i dens biokompatibilitet og biologiske funksjon.

Derfor, etter implantasjon i menneskekroppen, bør implantatet ikke forårsake uønskede reaksjoner som allergi, betennelse og kjemi i menneskelige celler, blod og organer, eller avvisning av fremmedlegemer. Samtidig kreves det også at implantatene som skal implanteres over lengre tid skal ha gode statiske mekaniske egenskaper, det vil si tilstrekkelig styrke, passende elastisitetsmodul, høy stabilitet, god korrosjonsbestandighet og holdbar holdbarhet. Nå er kirurgisk implantasjon av titanlegering mye brukt i klinisk praksis, og biokompatibilitetsforskningen er også moden. Derfor fokuserer sikkerheten til titanlegeringsdeler relatert til 3D-utskrift hovedsakelig på sikkerheten til dens biomekaniske funksjon.

Forskningen på om det 3D-trykte metallimplantatet er sammenlignbart med de generelle implantatproduktene til den tradisjonelle prosessen når det gjelder mekaniske egenskaper, korrosjonsmotstand og biokompatibilitet, og om noen av de statiske mekaniske egenskapene til legeringsimplantatet kan møte den kliniske anvendelsen og nasjonale standarder, pågår fortsatt. Det har blitt funnet at de delvise statiske mekaniske egenskapene til 3D-trykte titanimplantater kan møte kliniske behov. Ti6A14V-prøver fremstilt ved EBM-teknikk ble testet ved direkte strekktest og varm isostatisk pressetest. Resultatene viste at styrken til TI6A14V-prøver oversteg smiingsstandarden.

Korrosjonsmotstanden til Co-Cr-Mo-legeringen fremstilt av SLM-teknologien er lik den til legeringen som er fremstilt ved den tradisjonelle prosessen, og mengden av ioneoppløsning i det simulerte spyttmiljøet er mindre 3D-utskrift enn for den tradisjonelle prosesslegeringen. Ti6A14V-produktet fremstilt av DMLS-teknologi ble funnet av EOS-selskapet å ha de samme statiske mekaniske egenskapene og tretthetsmotstanden som tradisjonell smiing gjennom rimelig etterbehandling. Den porøse titanlegeringsvirvlen-fusjonsanordningen utarbeidet av EBM ble implantert i geitekroppen og oppnådde gode resultater i den cervikale fusjonsmodellen av sau. Grensesnittet mellom bein og materiale var bedre enn PEEK-fusjonsenhet.

Klinisk samsvarer ikke elastisitetsmodulen og andre mekaniske egenskaper til titanlegering egenskapene til menneskelig ben, noe som vil føre til fenomenet "stressskjerming" i implantatets perifere benvev og forårsake osteoporose, noe som resulterer i benabsorpsjon, løsner og tap av implantatet og svikt. For å redusere dette problemet med titanimplantater, har porøse strukturimplantater kommet inn i øynene til forskere. Nå har studier vist at 3D-utskrift kan justere mikrostrukturen til implantater med høy presisjon for å endre deres elastisitetsmodul og mekaniske egenskaper, for å matche med menneskelig benvev og ytterligere forbedre biomekaniske funksjoner på grunnlag av å sikre passende fysiologisk belastning.

Den kontrollerte strukturen til Ti6AI4V-kroppen ble produsert av EBM-formingsteknologi, og den interne hulromstrukturen ble funnet å være i samsvar med den teoretiske utformingen under skanningselektronmikroskopi, som oppnådde nøyaktig kontroll av EBM på strukturen til 3D-trykte produkter. Gjennom den mekaniske ytelsestesten er den tilsvarende trykkstyrken 163 MPa og elastisitetsmodulen er 14 MPa ved 60,1 % porøsitet, som er nær det menneskelige beinet. In vitro cellekultur viste også god cellekompatibilitet.

De porøse stillasene ble forberedt med EBM-teknologi gjennom optimalisering av designparametere, og deres mekaniske egenskaper ble evaluert. Det ble funnet at biomekanikken til de designet porøse materialene hadde en høy grad av overlegenhet i simulering av fasekompatibilitet og implantasjonstilpasning. Tre typer porøst titan med 300gm, 600gm og 900~tm fremstilt av SLM ble implantert i kanin tibia for å undersøke effekten av poreforhold på beinvekst. Resultatene viste at benvevet med 600~m porøs struktur hadde bedre lengde og biokompatibilitet.

Fra et benvekstsynspunkt vil et stillas med justerbar porøsitet og blenderåpning være mer gunstig for overføring og overføring av næringsstoffer i menneskekroppen, og kan også fremme evnen til beinvekst, øke kombinasjonen av implantater og bensenger, og forlenge levetiden til protesen, for å oppnå bedre medisinske effekter enn titan i solid struktur. I de siste årene har flerhulls titanlegering trinn for trinn ansett å være det mest ideelle kliniske nye reparasjons- og erstatningsmaterialene for hardvev, og bruken av 3D-trykte titanlegeringsimplantater med forskjellige mikroskopiske strukturer eller gjennom strukturer har også åpnet et nytt felt.