Нова студија открива да су медицински имплантати од титанијума веома ефикасни
Процес 3Д штампања титанијума
У поређењу са традиционалним процесом, предности технологије 3Д штампања за производњу персонализованих хируршких фигура имплантата углавном се огледају у: карактеристике слободног формирања 3Д штампања могу брзо и прецизно прилагодити унутрашњи имплант, може да превазиђе традиционални универзални облик фигуре имплантата није компатибилан са људским телом и његове механичке особине нису у складу са стандардним проблемима; У производњи сложених структура и производа који се тешко обрађују, персонализоване микроструктуре, посебно порозне кроз структуре, не само да могу задовољити специфичне физичке и хемијске особине, већ и побољшати биохистокомпатибилност.
Ова серија предности може ефикасно да превазиђе уобичајене проблеме заштите од стреса и ниске биолошке активности имплантата. Тренутно, најчешће коришћене и широко коришћене легуре титанијума за 3Д штампање су СЛМ технологија и ЕБМ технологија.
Селективно ласерско топљење (СЛМ) користи ласер као извор топлоте за селективно зрачење претходно положених прашкастих материјала како би се постигло брзо формирање топљења. Главни принцип рада је да у окружењу заштите инертног гаса, инструмент и опрема контролишу ласерски сноп у складу са путањом скенирања пуњења коју генерише режим дизајна система за одабир и топљење сваког слоја праха.
Затим се платформа помера надоле, поново се поставља прах и синтеровање се понавља док се не формира цео облик. Заштита од инертног гаса спречава метал да реагује са другим гасовима на високим температурама. СЛМ технологија је веома широк спектар материјала за формирање, који штеде материјал и могу се рециклирати, не треба дизајнирати и припремати сложен систем подршке, ова серија предности чини СЛМ технологију све ширу примену.
Међутим, СЛМ такође има неке недостатке: због ограничене снаге ласера и угла отклона галванометра скенирања, опсег величина делова које припрема СЛМ биће ограничен; Ласери велике снаге и висококвалитетна оптичка опрема су скупи за производњу, што донекле повећава економско оптерећење. Због употребе прашкастих материјала у СЛМ технологији, квалитет површине ливених делова може бити проблематичан, што захтева секундарну обраду производа да би се користио за накнадни рад; Дефекти сфероидизације и савијања се такође могу појавити у процесу обраде, што захтева даљи корак за стриктно оптимизацију поступка обраде. Топљење електронског зрака, ЕБМ је процес који користи електронски сноп као извор топлоте за топљење металног праха слој по слој у вакуумском окружењу за производњу адитива.
Његов принцип рада је: претходно премазани прах, високоенергетски скретање електронског снопа након фокусирања да би се произвела висока енергија у локалној малој области за скенирање слоја праха за производњу високе температуре и равномерног растапања, кроз континуирано скенирање електронског снопа да би се произвела енергија између фузије и очвршћавања базена талине, повезана у линеарни и раван метални слој.
Након завршетка тренутног слоја, поновите операцију полагања праха да бисте формирали. У производном процесу, ЕБМ усваја право окружење за топљење ваздуха како би осигурао високу чврстоћу материјала и избегао оксидацију легуре. У поређењу са СЛМ, главне предности ЕБМ-а су: ефикасна генерација снаге електронског снопа троши мање енергије, брзина производње је висока, тако да је стварна укупна снага целе машине висока; Отклон електронског снопа не мора да помера део опреме, што додатно побољшава брзину скенирања. Добро термално окружење обезбеђује стабилност облика 3Д штампаних делова, обезбеђује његова статичка механичка својства, испуњава биолошке захтеве, а метални прах се такође може рециклирати.
Статус и напредак 3Д штампаних хируршких имплантата
Хируршки имплантати и ортозе са 3Д штампањем имају обећавајућу перспективу примене у области остеоологије. Сада их је све више3Д штампани материјали за имплантатекао што су слушна помагала, протетски удови, персонализовани водичи за ортопедску хирургију, вештачки зглобови, вештачке спољашње уши, персонализовани зубни импланти и друге примене у клиничком персонализованом третману. Према извештајима, истраживачи са Универзитета у Пекингу су 2014. успешно имплантирали 12-годишњем дечаку персонализовану 3Д штампану вештачку кичму са микро-рупама, што је био први случај у свету. Исте године, лекари и научници су петогодишњој девојчици у Шкотској опремили 3Д штампани протетски длан.
Специјалистички центар за стоматологију 411. болнице Народноослободилачке војске успешно је користио ЕБМ технологију за прилагођавање и имплантацију имплантата од легуре титанијума доње вилице са високо персонализованом симулацијом анатомије за пацијента са хемимаксиларном ресекцијом. Током операције, у једном тренутку је завршена ресекција оболеле мандибуле и индивидуализована функционална поправка, а дефектна мандибула је индивидуално санирана и реконструисана. Постоперативни ефекат је био задовољавајући. Летхаус Б и други истраживачи су користили технологију 3Д штампања за реконструкцију коштаних и микроваскуларних режњева код 20 пацијената са ресекцијом доње вилице, што је скратило време операције и побољшало квалитет операције, а постоперативни ефекат је био добар. Последњих година, сличне вести и истраживања појавили су се у бескрајном току, што у потпуности одражава добре изгледе за примену 3Д штампања у области медицине.
На страни ортопедских производа, 3Д штампани хируршки материјали за имплантате такође се постепено крећу ка комерцијализацији и маркетингу. 2007. године, биоштампане 3Д штампане чашице за ацетабулум са скелама за тврдо ткиво које су развиле италијанске компаније Адлер Ортхо и ЛИма-ЛТО су прошле ЦЕ сертификат. Екацтецхов производ је одобрила ФДА 2010. Године 2009. уређај за фузију тела од потпуно титанијума који је произвела америчка компанија АМТ користећи 3Д штампање такође је прошао ЕУ ЦЕ сертификат. Године 2013. ФДА је одобрила први биоштампани производ за имплантацију лобање у Сједињеним Државама, што је уједно и прва персонализована 3Д штампана фигура имплантата ПЕЕК лобање на свету.
На основу тога, 2014. године, Оксфордска компанија Сједињених Држава добила је одобрење ФДА за 3Д штампање производа од максилофацијалне кости (режим 5ИОК). Поред тога, објављено је да је у септембру 2015. Државна управа за храну и лекове регистровала 3Д штампани људски имплант - вештачки зглоб кука који су развили Трећа болница за медицину у Пекингу и Беијинг Аиканг Иицхенг Медицал Екуипмент Цо., ЛТД. 3Д штампани зглоб кука ушао је у „фазу масовне производње“, што значи да су кинески имплантати за 3Д штампање такође закорачили у фазу производње.
Технологија 3Д штампе показује све значајнију улогу у медицинској науци и технолошким иновацијама, а истраживање и примена различитих персонализованих имплантолошких протеза, протетских удова, зубних имплантата и других аспеката је такође све обимније. Дакле, процена биолошке безбедности имплантата припремљених овим новим процесом захтева све више пажње.
Истраживање о биолошкој безбедности титанијума за 3Д штампање
Безбедност биомедицинских материјала се углавном огледа у интеракцији између ткива и материјала. Да би биомедицински метални материјали испунили стандарде имплантираних уређаја, мора се захтевати да реакција изазвана имплантацијом у људско тело буде на прихватљивом нивоу, а да истовремено не може да изазове квалитативне промене у структури и својствима материјала. Интеракција између људског тела и људског тела се углавном огледа у његовој биокомпатибилности и биолошкој функцији.
Стога, након имплантације у људско тело, имплантат не би требало да изазове нежељене реакције као што су алергије, запаљења и хемије у људским ћелијама, крви и органима, или одбацивање људских страних тела. Истовремено, захтева се и да имплантати које је потребно уградити на дуже време морају имати добра статичка механичка својства, односно довољну чврстоћу, одговарајући модул еластичности, високу стабилност, добру отпорност на корозију и трајну трајност. Сада се хируршка имплантација легуре титанијума широко користи у клиничкој пракси, а истраживање биокомпатибилности је такође зрело. Стога се безбедност делова од легуре титанијума који се односе на 3Д штампање углавном фокусира на сигурност његове биомеханичке функције.
Истраживање о томе да ли је 3Д штампани метални имплантат упоредив са општим имплантатима традиционалног процеса у погледу механичких својстава, отпорности на корозију и биокомпатибилности, и да ли неке од статичких механичких својстава легуре имплантата могу да задовоље клиничку примену и националне стандарде још увек су у току. Утврђено је да делимична статичка механичка својства 3Д штампаних титанијумских имплантата могу задовољити клиничке потребе. Узорци Ти6А14В припремљени ЕБМ техником испитани су директним тестом затезања и тестом врућим изостатским пресовањем. Резултати су показали да је снага узорака ТИ6А14В премашила стандард ковања.
Отпорност на корозију легуре Цо-Цр-Мо припремљене СЛМ технологијом је слична оној легуре припремљене традиционалним поступком, а количина раствореног јона у симулираном пљувачком окружењу је мања од 3Д штампања него код легуре традиционалног процеса. Компанија ЕОС утврдила је да производ Ти6А14В припремљен ДМЛС технологијом има иста статичка механичка својства и отпорност на замор као традиционално ковање кроз разумну накнадну обраду. Уређај за фузију пршљенова од порозне легуре титанијума који је припремио ЕБМ имплантиран је у тело козе и постигао је добре резултате у моделу цервикалне фузије оваца. Интерфејс коштаног материјала био је бољи од ПЕЕК фузионог уређаја.
Клинички, модул еластичности и друга механичка својства легуре титанијума се не поклапају са особинама људске кости, што ће довести до феномена „заштићења од стреса“ у периферном коштаном ткиву имплантата и изазвати остеопорозу, што резултира апсорпцијом кости, лабављењем и губитком имплантата и отказом. Да би се смањио овај проблем са титанијумским имплантатима, имплантати порозне структуре су ушли у очи истраживача. Сада су студије показале да 3Д штампа може да прилагоди микроструктуру имплантата са високом прецизношћу како би променила њихов модул еластичности и механичка својства, како би се ускладила са људским коштаним ткивом и додатно побољшала биомеханичке функције на основу обезбеђивања одговарајућег физиолошког оптерећења.
Контролисана структура Ти6АИ4В тела је произведена ЕБМ технологијом формирања, а утврђено је да је унутрашња структура шупљина у складу са теоријским дизајном под скенирајућом електронском микроскопијом, чиме је постигнута прецизна контрола ЕБМ-а на структури 3Д штампаних производа. Кроз тест механичких перформанси, одговарајућа чврстоћа на притисак је 163 МПа, а модул еластичности је 14 МПа при 60,1% порозности пора, што је близу људске кости. Ин витро ћелијска култура је такође показала добру ћелијску компатибилност.
Порозне скеле су припремљене ЕБМ технологијом кроз оптимизацију пројектних параметара и процењене су њихове механичке особине. Утврђено је да биомеханика пројектованих порозних материјала има висок степен супериорности у симулацији фазне компатибилности и усклађености имплантације. Три врсте порозног титанијума са 300гм, 600гм и 900~тм које је припремио СЛМ имплантиране су у тибију зеца да би се истражио ефекат односа пора на раст костију. Резултати су показали да коштано ткиво са 600~м порозне структуре има бољу дужину и биокомпатибилност.
Са становишта раста костију, скела са подесивом порозношћу и отвором ће бити погоднија за пренос и пренос хранљивих материја у људском телу, а такође може унапредити способност раста костију, повећати комбинацију имплантата и коштаних кревета и продужити век трајања протезе, како би се постигли бољи медицински ефекти од чврсте структуре титанијума аллои. Последњих година, легура титанијума са више рупа корак по корак сматра се најидеалнијим клиничким новим материјалима за поправку и замену тврдих ткива, а примена 3Д штампаних имплантата од легуре титанијума са различитим микроскопским структурама или низ структура такође је отворила ново поље.