Un nou studiu arată că implanturile medicale din titan sunt extrem de eficiente

Proces de imprimare 3D cu titan

În comparație cu procesul tradițional, avantajele tehnologiei de imprimare 3D pentru fabricarea figurilor de implant chirurgical personalizate se reflectă în principal în: caracteristicile de formare liberă de imprimare 3D pot personaliza rapid și precis implantul intern, poate depăși forma tradițională universală a figurii implantului este incompatibilă cu corpul uman și proprietățile sale mecanice nu sunt la nivelul problemelor standard; În fabricarea structurilor complexe și a produselor dificil de prelucrat, microstructurile personalizate, în special structurile poroase prin intermediul structurilor, pot nu numai să îndeplinească proprietăți fizice și chimice specifice, ci și să sporească biohistocompatibilitatea.

Această serie de avantaje poate depăși în mod eficient problemele comune ale protecției împotriva stresului și ale activității biologice scăzute a implanturilor. În prezent, cele mai utilizate și utilizate pe scară largă aliajele de titan pentru imprimare 3D sunt tehnologia SLM și tehnologia EBM.

Topirea selectivă cu laser (SLM) folosește laserul ca sursă de căldură pentru a iradia selectiv materialele de pulbere pre-așezate pentru a obține o formare rapidă prin topire. Principiul principal de lucru este că, în mediul de protecție a gazului inert, instrumentul și echipamentul controlează fasciculul laser în funcție de calea de scanare de umplere generată de modul de proiectare a sistemului pentru a selecta și a topi fiecare strat de pulbere.

Apoi platforma este mutată în jos, pulberea este așezată din nou și sinterizarea se repetă până când se formează întreaga formă. Protecția împotriva gazului inert împiedică metalul să reacționeze cu alte gaze la temperaturi ridicate. Tehnologia SLM este o gamă foarte largă de materiale de formare, economisind materiale și reciclabile, nu trebuie să proiectați și să pregătească un sistem complex de suport, această serie de avantaje fac ca tehnologia SLM să fie din ce în ce mai utilizată.

Cu toate acestea, SLM are și unele dezavantaje: din cauza puterii limitate a laserului și a unghiului de deviere al galvanometrului de scanare, gama de dimensiuni a pieselor pregătite de SLM va fi limitată; Laserele de mare putere și echipamentele optice de înaltă calitate sunt costisitoare de fabricat, ceea ce crește sarcina economică într-o oarecare măsură. Datorită utilizării materialelor sub formă de pulbere în tehnologia SLM, calitatea suprafeței pieselor turnate poate fi problematică, ceea ce necesită o prelucrare secundară a produsului pentru a fi utilizat pentru lucrările ulterioare; De asemenea, pot apărea defecte de sferoidizare și deformare în procesul de prelucrare, care necesită un pas suplimentar pentru optimizarea strictă a procedurii de procesare.

Principiul său de lucru este: pulbere pre-acoperită, deviația fasciculului de electroni de înaltă energie după focalizare pentru a produce energie mare în zona mică locală pentru a scana stratul de pulbere pentru a produce temperatură ridicată și chiar a topi, prin scanarea continuă a fasciculului de electroni pentru a produce energie între fuziunea și solidificarea bazinului de topire, conectată într-un strat metalic liniar și plan.

După terminarea stratului curent, repetați operația de așezare a pulberii pentru a forma. În procesul de producție, EBM adoptă mediul adevărat de topire a aerului pentru a asigura rezistența ridicată a materialului și pentru a evita oxidarea aliajului. În comparație cu SLM, principalele avantaje ale EBM sunt: ​​generarea eficientă a puterii fasciculului de electroni consumă mai puțină energie, viteza de producție este mare, astfel încât puterea totală reală a întregii mașini este mare; Deviația fasciculului de electroni nu trebuie să miște partea echipamentului, ceea ce îmbunătățește și mai mult viteza de scanare. Mediul termic bun asigură stabilitatea formei pieselor imprimate 3D, îi asigură proprietățile mecanice statice, îndeplinește cerințele biologice, iar pulberea metalică poate fi de asemenea reciclată.

Starea și progresul implanturilor chirurgicale imprimate 3D

Implanturile chirurgicale și ortezele cu imprimare 3D au o perspectivă de aplicare promițătoare în domeniul osteologiei. Acum sunt tot mai multeMateriale pentru implanturi imprimate 3Dprecum proteze auditive, membre protetice, ghiduri personalizate de chirurgie ortopedică, articulații artificiale, urechi exterioare artificiale, implanturi dentare personalizate și alte aplicații în tratamentul clinic personalizat. Potrivit rapoartelor, în 2014, cercetătorii de la Universitatea din Peking au implantat cu succes un băiat de 12 ani cu o coloană artificială personalizată imprimată 3D cu micro-găuri, care a fost primul caz din lume. În același an, medicii și oamenii de știință au montat o fetiță de 5 ani din Scoția cu o proteză de palmă imprimată 3D.

Centrul de Specialitate Stomatologie al Spitalului 411 al Armatei Populare de Eliberare a folosit cu succes tehnologia EBM pentru personalizarea și implantarea unui implant mandibular din aliaj de titan cu simulare extrem de personalizată a anatomiei pentru un pacient cu rezecție hemimaxilară. În timpul operației, rezecția mandibulei bolnave și reparația funcțională individualizată au fost finalizate într-un timp, iar mandibula defectuoasă a fost reparată și reconstruită individual. Efectul postoperator a fost satisfăcător. Lethaus B și alți cercetători au folosit tehnologia de imprimare 3D pentru a reconstrui lambourile osoase și microvasculare la 20 de pacienți cu rezecție mandibulară, ceea ce a scurtat timpul de operație și a îmbunătățit calitatea operației, iar efectul postoperator a fost bun. În ultimii ani, știri și cercetări similare au apărut într-un flux nesfârșit, care reflectă pe deplin perspectivele bune de aplicare a imprimării 3D în domeniul medical.

Pe lângă produsele ortopedice, materialele pentru implanturi chirurgicale imprimate 3D se îndreaptă treptat către comercializare și comercializare. În 2007, cupele de acetabul imprimate 3D bioprintate cu schele de țesut dur dezvoltate de compania italiană Adler Ortho și LIma-LTO au trecut certificarea CE. Produsul Exactech a fost aprobat de FDA în 2010. În 2009, dispozitivul de fuziune corporală din titan produs de compania americană AMT folosind imprimarea 3D a trecut și certificarea UE CE. În 2013, primul produs de implant de craniu bioimprimat din Statele Unite a fost aprobat de FDA, care este, de asemenea, prima figură personalizată de implant de craniu PEEK imprimată 3D din lume.

Pe această bază, în 2014, Compania Oxford din Statele Unite a primit aprobarea FDA pentru imprimarea 3D a produselor osoase maxilo-faciale (mod 5IOK). În plus, se raportează că, în septembrie 2015, implantul uman imprimat 3D - articulația șoldului artificială dezvoltat de Spitalul al treilea de Medicină din Beijing și Beijing Aikang Yicheng Medical Equipment Co., LTD., a fost înregistrat de Administrația de Stat pentru Alimente și Medicamente. Articulația șoldului imprimată 3D a intrat în „etapa de producție în masă”, ceea ce înseamnă că implanturile de imprimare 3D din China au intrat și ele în etapa de producție.

Tehnologia de imprimare 3D a demonstrat un rol din ce în ce mai important în știința medicală și inovația tehnologică, iar cercetarea și aplicarea diferitelor proteze de implant personalizate, membre protetice, implanturi dentare și alte aspecte sunt, de asemenea, din ce în ce mai extinse. Deci, evaluarea biosecurității implanturilor pregătite prin acest nou proces necesită din ce în ce mai multă atenție.

Cercetări privind biosecuritatea titanului de imprimare 3D

Siguranța materialelor biomedicale se reflectă în principal în interacțiunea dintre țesuturi și materiale. Pentru ca materialele metalice biomedicale să îndeplinească standardele dispozitivelor implantate, trebuie să se ceară ca reacția cauzată de implantarea în corpul uman să fie la un nivel acceptabil și, în același timp, să nu poată induce modificări calitative în structura și proprietățile materialului. Interacțiunea dintre corpul uman și corpul uman se reflectă în principal în biocompatibilitatea și funcția sa biologică.

Prin urmare, după implantare în corpul uman, implantul nu ar trebui să provoace reacții adverse precum alergie, inflamație și chimie în celulele, sângele și organele umane sau respingerea corpurilor străine umane. În același timp, se mai cere ca implanturile care trebuie implantate pentru o perioadă lungă de timp să aibă proprietăți mecanice statice bune, adică rezistență suficientă, modul elastic adecvat, stabilitate ridicată, rezistență bună la coroziune și durabilitate durabilă. Acum, implantarea chirurgicală a aliajului de titan este utilizată pe scară largă în practica clinică, iar cercetarea biocompatibilității este, de asemenea, matură. Prin urmare, siguranța pieselor din aliaj de titan legate de imprimarea 3D se concentrează în principal pe siguranța funcției sale biomecanice.

Cercetarea dacă implantul metalic imprimat 3D este comparabil cu produsele generale de implant ale procesului tradițional în ceea ce privește proprietățile mecanice, rezistența la coroziune și biocompatibilitatea și dacă unele dintre proprietățile mecanice statice ale implantului din aliaj pot îndeplini aplicația clinică și standardele naționale este încă în curs. S-a descoperit că proprietățile mecanice statice parțiale ale implanturilor de titan imprimate 3D pot satisface nevoile clinice. Probele de Ti6A14V preparate prin tehnica EBM au fost testate prin test de tracțiune directă și test de presare izostatică la cald. Rezultatele au arătat că rezistența probelor TI6A14V a depășit standardul de forjare.

Rezistența la coroziune a aliajului Co-Cr-Mo preparat prin tehnologia SLM este similară cu cea a aliajului preparat prin procesul tradițional, iar cantitatea de dizolvare a ionilor în mediul salivar simulat este mai mică de imprimare 3D decât cea a aliajului de proces tradițional. Produsul Ti6A14V pregătit prin tehnologia DMLS a fost descoperit de compania EOS că are aceleași proprietăți mecanice statice și rezistență la oboseală ca forjarea tradițională prin post-procesare rezonabilă. Dispozitivul poros de fuziune a vertebrelor din aliaj de titan preparat de EBM a fost implantat în corpul caprei și a obținut rezultate bune în modelul de fuziune cervicală a oilor. Interfața os-material a fost mai bună decât dispozitivul de fuziune PEEK.

Din punct de vedere clinic, modulul elastic și alte proprietăți mecanice ale aliajului de titan nu se potrivesc cu proprietățile osului uman, ceea ce va duce la fenomenul de „protecție împotriva stresului” în țesutul osos periferic al implantului și va provoca osteoporoză, ducând la absorbția osoasă, slăbirea și pierderea implantului și eșecul. Pentru a reduce această problemă cu implanturile de titan, implanturile cu structură poroasă au intrat în ochii cercetătorilor. Acum, studiile au arătat că imprimarea 3D poate ajusta microstructura implanturilor cu mare precizie pentru a le modifica modulul elastic și proprietățile mecanice, astfel încât să se potrivească cu țesutul osos uman și să îmbunătățească în continuare funcțiile biomecanice pe baza asigurării unei sarcini fiziologice adecvate.

Structura controlată a corpului Ti6AI4V a fost fabricată prin tehnologia de formare EBM, iar structura goală internă s-a dovedit a fi în concordanță cu designul teoretic sub microscopia electronică de scanare, care a realizat controlul precis al EBM asupra structurii produselor imprimate 3D. Prin testul de performanță mecanică, rezistența la compresiune corespunzătoare este de 163 MPa și modulul de elasticitate este de 14 MPa la 60,1% porozitate a porilor, care este aproape de osul uman. Cultura celulară in vitro a arătat, de asemenea, o bună compatibilitate celulară.

Schelele poroase au fost pregătite prin tehnologia EBM prin optimizarea parametrilor de proiectare, iar proprietățile lor mecanice au fost evaluate. Sa constatat că biomecanica materialelor poroase proiectate a avut un grad ridicat de superioritate în simularea compatibilității de fază și potrivirea implantării. Trei tipuri de titan poros cu 300 gm, 600 gm și 900 tm preparate de SLM au fost implantate în tibia de iepure pentru a investiga efectul raportului porilor asupra creșterii osoase. Rezultatele au arătat că țesutul osos cu structură poroasă de 600~m a avut lungime și biocompatibilitate mai bune.

Din punctul de vedere al creșterii osoase, o schelă cu porozitate și deschidere reglabilă va fi mai propice pentru transmiterea și transmiterea nutrienților în corpul uman și, de asemenea, poate promova capacitatea de creștere a oaselor, poate crește combinația de implanturi și paturi osoase și poate prelungi durata de viață a protezei, astfel încât să obțină efecte medicale mai bune decât aliajul de titan cu structură solidă. În ultimii ani, aliajul de titan cu mai multe orificii pas cu pas este considerat a fi cel mai ideal material clinic nou pentru repararea și înlocuirea țesuturilor dure, iar aplicarea implanturilor din aliaj de titan imprimate 3D cu diferite structuri microscopice sau prin structuri a deschis, de asemenea, un nou domeniu.