การศึกษาใหม่พบว่าการปลูกถ่ายทางการแพทย์ด้วยไททาเนียมมีประสิทธิภาพสูง

กระบวนการพิมพ์ไททาเนียมแบบ 3 มิติ

เมื่อเปรียบเทียบกับกระบวนการแบบดั้งเดิม ข้อดีของเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติในการผลิตรูปร่างรากฟันเทียมเฉพาะบุคคลนั้นสะท้อนให้เห็นเป็นหลักในเรื่อง: ลักษณะการขึ้นรูปอิสระของการพิมพ์ 3 มิติสามารถปรับแต่งรากฟันเทียมภายในได้อย่างรวดเร็วและแม่นยำ สามารถเอาชนะรูปร่างรากฟันเทียมสากลแบบเดิมที่ไม่เข้ากันกับร่างกายมนุษย์และคุณสมบัติทางกลของมันไม่ถึงปัญหามาตรฐาน ในการผลิตโครงสร้างที่ซับซ้อนและผลิตภัณฑ์ที่ประมวลผลยาก โครงสร้างจุลภาคเฉพาะบุคคล โดยเฉพาะโครงสร้างที่มีรูพรุน ไม่เพียงแต่สามารถตอบสนองคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีที่เฉพาะเจาะจงเท่านั้น แต่ยังเพิ่มความเข้ากันได้ทางชีวภาพอีกด้วย

ข้อดีเหล่านี้สามารถเอาชนะปัญหาทั่วไปเกี่ยวกับการป้องกันความเครียดและฤทธิ์ทางชีวภาพต่ำของวัสดุปลูกถ่ายได้อย่างมีประสิทธิภาพ ปัจจุบัน โลหะผสมไทเทเนียมที่ใช้พิมพ์ 3 มิติอย่างแพร่หลายและแพร่หลายที่สุดคือเทคโนโลยี SLM และเทคโนโลยี EBM

การหลอมโลหะด้วยเลเซอร์แบบเลือกเฉพาะ (Selective Laser Melting: SLM) ใช้เลเซอร์เป็นแหล่งความร้อนเพื่อฉายรังสีไปยังวัสดุผงที่เตรียมไว้ล่วงหน้าอย่างเฉพาะเจาะจง เพื่อให้สามารถขึ้นรูปด้วยการหลอมละลายได้อย่างรวดเร็ว หลักการทำงานหลักคือ ภายใต้สภาพแวดล้อมที่มีการป้องกันด้วยก๊าซเฉื่อย เครื่องมือและอุปกรณ์พีเอ็มควบคุมลำแสงเลเซอร์ตามเส้นทางการสแกนการเติมที่สร้างขึ้นโดยโหมดการออกแบบระบบเพื่อเลือกและละลายผงแต่ละชั้น

จากนั้นก็ย้ายแท่นลงมาแล้วโรยดินปืนอีกครั้ง การเผาผนึก ทำซ้ำจนกระทั่งได้รูปทรงที่สมบูรณ์ การป้องกันด้วยก๊าซเฉื่อยช่วยป้องกันไม่ให้โลหะทำปฏิกิริยากับก๊าซอื่นๆ ที่อุณหภูมิสูง เทคโนโลยี SLM มีวัสดุขึ้นรูปที่หลากหลาย ประหยัดวัสดุและรีไซเคิลได้ ไม่จำเป็นต้องออกแบบและจัดเตรียมระบบรองรับที่ซับซ้อน ข้อดีเหล่านี้ทำให้เทคโนโลยี SLM ได้รับความนิยมอย่างแพร่หลายมากขึ้น

อย่างไรก็ตาม SLM ก็มีข้อเสียอยู่บ้าง: เนื่องจากกำลังเลเซอร์ที่จำกัดและมุมเบี่ยงเบนของแกลวาโนมิเตอร์แบบสแกน ช่วงขนาดของชิ้นส่วนที่เตรียมโดย SLM จึงมีจำกัด เลเซอร์กำลังสูงและอุปกรณ์ออปติคัลคุณภาพสูงมีราคาสูงในการผลิต ซึ่งเพิ่มภาระทางเศรษฐกิจในระดับหนึ่ง เนื่องจากการใช้วัสดุผงในเทคโนโลยี SLM คุณภาพพื้นผิวของชิ้นส่วนที่ขึ้นรูปอาจเป็นปัญหา ซึ่งจำเป็นต้องผ่านกระบวนการรองของผลิตภัณฑ์เพื่อนำไปใช้งานต่อไป นอกจากนี้ อาจเกิดข้อบกพร่องแบบทรงกลมและการบิดเบี้ยวในกระบวนการแปรรูป ซึ่งจำเป็นต้องมีขั้นตอนเพิ่มเติมเพื่อปรับกระบวนการแปรรูปให้เหมาะสมอย่างเคร่งครัด การหลอมด้วยลำแสงอิเล็กตรอน หรือ EBM เป็นกระบวนการที่ใช้ลำแสงอิเล็กตรอนเป็นแหล่งความร้อนในการหลอมผงโลหะทีละชั้นในสภาพแวดล้อมสุญญากาศสำหรับการผลิตแบบเติมแต่ง

หลักการทำงานคือ: ผงเคลือบล่วงหน้า การเบี่ยงเบนลำแสงอิเล็กตรอนพลังงานสูงหลังจากการโฟกัสเพื่อสร้างพลังงานสูงในพื้นที่เล็กๆ ในท้องถิ่นเพื่อสแกนชั้นผงเพื่อสร้างอุณหภูมิสูงและละลายอย่างสม่ำเสมอ ผ่านการสแกนอย่างต่อเนื่องของลำแสงอิเล็กตรอนเพื่อผลิตพลังงานระหว่างการหลอมรวมและการแข็งตัวของแอ่งหลอมเหลว เชื่อมต่อเข้ากับชั้นโลหะที่เป็นเส้นตรงและระนาบ

หลังจากเสร็จสิ้นชั้นปัจจุบัน ให้ทำซ้ำขั้นตอนการเคลือบผงเพื่อขึ้นรูป ในกระบวนการผลิต EBM ใช้สภาพแวดล้อมการหลอมด้วยอากาศจริง เพื่อให้มั่นใจว่าวัสดุมีความแข็งแรงสูงและป้องกันการออกซิเดชันของโลหะผสม ข้อได้เปรียบหลักของ EBM เมื่อเปรียบเทียบกับ SLM คือ การผลิตพลังงานลำแสงอิเล็กตรอนที่มีประสิทธิภาพ ใช้พลังงานน้อยกว่า ความเร็วในการผลิตสูง ทำให้กำลังรวมที่แท้จริงของเครื่องจักรสูง การเบี่ยงเบนของลำแสงอิเล็กตรอนไม่จำเป็นต้องเคลื่อนย้ายชิ้นส่วนอุปกรณ์ ซึ่งช่วยเพิ่มความเร็วในการสแกน สภาพแวดล้อมทางความร้อนที่ดีช่วยให้ชิ้นส่วนที่พิมพ์ 3 มิติมีรูปร่างที่คงที่ มีคุณสมบัติเชิงกลคงที่ ตรงตามข้อกำหนดทางชีวภาพ และผงโลหะยังสามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้อีกด้วย

สถานะและความก้าวหน้าของการพิมพ์ 3 มิติเพื่อการปลูกถ่ายทางศัลยกรรม

อุปกรณ์ปลูกถ่ายทางศัลยกรรมและอุปกรณ์ช่วยพยุงร่างกายด้วยการพิมพ์ 3 มิติมีแนวโน้มการประยุกต์ใช้งานที่ก้าวหน้าในสาขากระดูกวิทยา ปัจจุบันมีอุปกรณ์เหล่านี้มากขึ้นเรื่อยๆ วัสดุปลูกถ่ายแบบพิมพ์ 3 มิติ เช่น เครื่องช่วยฟัง แขนขาเทียม แนวทางการผ่าตัดกระดูกและข้อเฉพาะบุคคล ข้อต่อเทียม หูชั้นนอกเทียม รากฟันเทียมเฉพาะบุคคล และการประยุกต์ใช้อื่นๆ ในการรักษาทางคลินิกเฉพาะบุคคล รายงานระบุว่า ในปี 2014 นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยปักกิ่งประสบความสำเร็จในการฝังกระดูกสันหลังเทียมที่พิมพ์ 3 มิติเฉพาะบุคคลพร้อมรูขนาดเล็กลงในเด็กชายอายุ 12 ปี ซึ่งถือเป็นกรณีศึกษาแรกของโลก ในปีเดียวกันนั้น แพทย์และนักวิทยาศาสตร์ได้ใส่ฝ่ามือเทียมที่พิมพ์ 3 มิติให้กับเด็กหญิงวัย 5 ขวบในสกอตแลนด์

ศูนย์เฉพาะทางทันตกรรม โรงพยาบาลที่ 411 แห่งกองทัพปลดปล่อยประชาชน ประสบความสำเร็จในการใช้เทคโนโลยี EBM เพื่อปรับแต่งและฝังรากฟันเทียมโลหะผสมไทเทเนียมขากรรไกรล่าง พร้อมการจำลองกายวิภาคเฉพาะบุคคลสำหรับผู้ป่วยที่ได้รับการผ่าตัดขากรรไกรบนครึ่งขากรรไกรล่าง ในระหว่างการผ่าตัด การผ่าตัดขากรรไกรล่างที่เป็นโรคและการซ่อมแซมการทำงานเฉพาะบุคคลเสร็จสิ้นภายในครั้งเดียว และขากรรไกรล่างที่ชำรุดได้รับการซ่อมแซมและสร้างใหม่ทีละชิ้น ผลลัพธ์หลังการผ่าตัดเป็นที่น่าพอใจ Lethaus B และนักวิจัยท่านอื่นๆ ได้ใช้เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติเพื่อสร้างกระดูกและแผ่นเนื้อเยื่อขนาดเล็กในผู้ป่วยที่ได้รับการผ่าตัดขากรรไกรล่าง 20 ราย ซึ่งช่วยลดระยะเวลาในการผ่าตัดและปรับปรุงคุณภาพการผ่าตัด และผลลัพธ์หลังการผ่าตัดเป็นที่น่าพอใจ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา มีข่าวสารและงานวิจัยที่คล้ายคลึงกันเกิดขึ้นอย่างไม่หยุดยั้ง ซึ่งสะท้อนให้เห็นถึงโอกาสที่ดีของการประยุกต์ใช้การพิมพ์ 3 มิติในทางการแพทย์

ในส่วนของผลิตภัณฑ์ออร์โธปิดิกส์ วัสดุปลูกถ่ายกระดูกที่พิมพ์ 3 มิติก็กำลังค่อยๆ ขยายไปสู่การจำหน่ายและการตลาดเชิงพาณิชย์ ในปี พ.ศ. 2550 ถ้วยอะซีตาบูลัมพิมพ์ 3 มิติชีวภาพพร้อมโครงนั่งร้านเนื้อเยื่อแข็งที่พัฒนาโดยบริษัท Adler Ortho และ LIma-LTO ของอิตาลี ได้รับการรับรองมาตรฐาน CE ผลิตภัณฑ์ของ Exactech ได้รับการรับรองจากองค์การอาหารและยา (FDA) ในปี พ.ศ. 2553 ในปี พ.ศ. 2552 อุปกรณ์เชื่อมร่างกายที่ทำจากไทเทเนียมทั้งหมดที่ผลิตโดยบริษัท AMT ของอเมริกาที่ใช้การพิมพ์ 3 มิติก็ผ่านการรับรองมาตรฐาน CE ของสหภาพยุโรปเช่นกัน ในปี พ.ศ. 2556 ผลิตภัณฑ์ปลูกถ่ายกะโหลกศีรษะที่พิมพ์ชีวภาพชิ้นแรกในสหรัฐอเมริกาได้รับการอนุมัติจากองค์การอาหารและยา (FDA) ซึ่งถือเป็นหุ่นจำลองกะโหลกศีรษะ PEEK ที่พิมพ์ 3 มิติส่วนบุคคลชิ้นแรกของโลกอีกด้วย

ด้วยเหตุนี้ ในปี 2014 บริษัท Oxford ของสหรัฐอเมริกาจึงได้รับการอนุมัติจากองค์การอาหารและยาแห่งสหรัฐอเมริกา (FDA) ให้พิมพ์ผลิตภัณฑ์กระดูกขากรรไกรและใบหน้าด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติ (โหมด 5IOK) นอกจากนี้ ยังมีรายงานว่าในเดือนกันยายน 2015 ข้อต่อสะโพกเทียมสำหรับมนุษย์ที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติ ซึ่งพัฒนาโดยโรงพยาบาล Third Hospital of Beijing Medicine และ Beijing Aikang Yicheng Medical Equipment Co., LTD. ได้รับการจดทะเบียนกับสำนักงานคณะกรรมการอาหารและยาแห่งรัฐแล้ว ข้อต่อสะโพกเทียมที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิตินี้ได้เข้าสู่ "ขั้นตอนการผลิตจำนวนมาก" ซึ่งหมายความว่าชิ้นส่วนเทียมที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติของจีนก็ได้เข้าสู่ขั้นตอนการผลิตเช่นกัน

เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติมีบทบาทสำคัญเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ ในวิทยาศาสตร์การแพทย์และนวัตกรรมเทคโนโลยี การวิจัยและการประยุกต์ใช้อวัยวะเทียมเฉพาะบุคคล แขนขาเทียม รากฟันเทียม และอื่นๆ ก็มีมากขึ้นเรื่อยๆ เช่นกัน ดังนั้น การประเมินความปลอดภัยทางชีวภาพของรากฟันเทียมที่เตรียมโดยกระบวนการใหม่นี้จึงจำเป็นต้องได้รับความสนใจมากขึ้นเรื่อยๆ

การวิจัยด้านความปลอดภัยทางชีวภาพของการพิมพ์ไททาเนียมแบบ 3 มิติ

ความปลอดภัยของวัสดุชีวการแพทย์ส่วนใหญ่สะท้อนให้เห็นจากปฏิกิริยาระหว่างเนื้อเยื่อและวัสดุ เพื่อให้วัสดุโลหะชีวการแพทย์เป็นไปตามมาตรฐานของอุปกรณ์ฝังในร่างกาย จำเป็นต้องกำหนดว่าปฏิกิริยาที่เกิดจากการฝังในร่างกายมนุษย์ต้องอยู่ในระดับที่ยอมรับได้ และในขณะเดียวกันต้องไม่ก่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเชิงคุณภาพในโครงสร้างและคุณสมบัติของวัสดุ ปฏิกิริยาระหว่างร่างกายมนุษย์กับร่างกายมนุษย์ส่วนใหญ่สะท้อนให้เห็นจากความเข้ากันได้ทางชีวภาพและหน้าที่ทางชีวภาพของวัสดุ

ดังนั้น หลังจากฝังลงในร่างกายมนุษย์แล้ว รากฟันเทียมจะต้องไม่ก่อให้เกิดปฏิกิริยาไม่พึงประสงค์ เช่น อาการแพ้ การอักเสบ และสารเคมีในเซลล์ เลือด และอวัยวะต่างๆ ของมนุษย์ หรือการต่อต้านสิ่งแปลกปลอมในร่างกาย ขณะเดียวกัน รากฟันเทียมที่ต้องฝังเป็นเวลานานจะต้องมีสมบัติเชิงกลสถิตที่ดี นั่นคือ มีความแข็งแรงเพียงพอ โมดูลัสความยืดหยุ่นที่เหมาะสม มีความเสถียรสูง ทนต่อการกัดกร่อนได้ดี และมีความทนทานสูง ปัจจุบัน การผ่าตัดฝังโลหะผสมไทเทเนียมถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในทางคลินิก และงานวิจัยด้านความเข้ากันได้ทางชีวภาพก็มีการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง ดังนั้น ความปลอดภัยของชิ้นส่วนโลหะผสมไทเทเนียมที่เกี่ยวข้องกับการพิมพ์ 3 มิติจึงมุ่งเน้นไปที่ความปลอดภัยของการทำงานทางชีวกลศาสตร์เป็นหลัก

งานวิจัยเกี่ยวกับว่าวัสดุฝังในโลหะที่พิมพ์ 3 มิตินั้นมีคุณสมบัติเทียบเท่ากับผลิตภัณฑ์วัสดุฝังในทั่วไปของกระบวนการดั้งเดิมหรือไม่ ทั้งในด้านคุณสมบัติเชิงกล ความทนทานต่อการกัดกร่อน และความเข้ากันได้ทางชีวภาพ รวมถึงคุณสมบัติเชิงกลคงที่บางประการของวัสดุฝังในโลหะผสมนั้น สามารถตอบสนองการใช้งานทางคลินิกและมาตรฐานระดับชาติได้หรือไม่นั้น ยังคงอยู่ระหว่างการดำเนินการ พบว่าคุณสมบัติเชิงกลคงที่บางส่วนของวัสดุฝังในไทเทเนียมที่พิมพ์ 3 มิติสามารถตอบสนองความต้องการทางคลินิกได้ ตัวอย่าง Ti6A14V ที่เตรียมด้วยเทคนิค EBM ได้รับการทดสอบโดยการทดสอบแรงดึงโดยตรงและการทดสอบแรงกดไอโซสแตติกร้อน ผลการทดสอบแสดงให้เห็นว่าความแข็งแรงของตัวอย่าง TI6A14V สูงกว่ามาตรฐานการตีขึ้นรูป

ความต้านทานการกัดกร่อนของโลหะผสมโคบอลต์-โครเมียม-โมลิบดีนัมที่เตรียมด้วยเทคโนโลยี SLM ใกล้เคียงกับโลหะผสมที่เตรียมด้วยกระบวนการแบบดั้งเดิม และปริมาณการละลายไอออนในสภาพแวดล้อมน้ำลายจำลองน้อยกว่าโลหะผสมที่เตรียมด้วยการพิมพ์สามมิติ บริษัท EOS พบว่าผลิตภัณฑ์ Ti6A14V ที่เตรียมด้วยเทคโนโลยี DMLS มีคุณสมบัติเชิงกลคงที่และความต้านทานความล้าเช่นเดียวกับการตีขึ้นรูปแบบดั้งเดิม ผ่านกระบวนการหลังการขึ้นรูปที่เหมาะสม อุปกรณ์เชื่อมกระดูกสันหลังโลหะผสมไทเทเนียมที่มีรูพรุนที่เตรียมโดย EBM ถูกฝังเข้าไปในร่างกายแพะและได้ผลลัพธ์ที่ดีในแบบจำลองการเชื่อมกระดูกสันหลังส่วนคอของแกะ ส่วนต่อประสานระหว่างกระดูกและวัสดุมีประสิทธิภาพดีกว่าอุปกรณ์เชื่อม PEEK

ในทางคลินิก โมดูลัสยืดหยุ่นและคุณสมบัติเชิงกลอื่นๆ ของโลหะผสมไทเทเนียมไม่สอดคล้องกับคุณสมบัติของกระดูกมนุษย์ ซึ่งจะนำไปสู่ปรากฏการณ์ "การป้องกันความเครียด" ในเนื้อเยื่อกระดูกส่วนปลายของรากเทียม และทำให้เกิดภาวะกระดูกพรุน ส่งผลให้กระดูกถูกดูดซึม คลายตัว และสูญเสียรากเทียม และอาจเกิดการแตกหักได้ เพื่อลดปัญหานี้กับรากเทียมไทเทเนียม รากเทียมที่มีโครงสร้างพรุนจึงได้รับความสนใจจากนักวิจัย ปัจจุบัน การศึกษาแสดงให้เห็นว่าการพิมพ์ 3 มิติสามารถปรับโครงสร้างจุลภาคของรากเทียมได้อย่างแม่นยำสูง เพื่อเปลี่ยนโมดูลัสยืดหยุ่นและคุณสมบัติเชิงกล เพื่อให้สอดคล้องกับเนื้อเยื่อกระดูกมนุษย์ และปรับปรุงการทำงานทางชีวกลศาสตร์ให้ดียิ่งขึ้น โดยอาศัยการรับน้ำหนักทางสรีรวิทยาที่เหมาะสม

โครงสร้างควบคุมของตัวบอดี้ Ti6AI4V ผลิตด้วยเทคโนโลยีการขึ้นรูป EBM และพบว่าโครงสร้างช่องว่างภายในสอดคล้องกับการออกแบบเชิงทฤษฎีภายใต้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด ซึ่งสามารถควบคุม EBM บนโครงสร้างของผลิตภัณฑ์พิมพ์ 3 มิติได้อย่างแม่นยำ จากการทดสอบสมรรถนะเชิงกล พบว่ามีกำลังอัด 163 เมกะปาสคาล และโมดูลัสยืดหยุ่น 14 เมกะปาสคาล ที่ความพรุน 60.1% ซึ่งใกล้เคียงกับกระดูกมนุษย์ การเพาะเลี้ยงเซลล์ในหลอดทดลองยังแสดงให้เห็นถึงความเข้ากันได้ของเซลล์ที่ดีอีกด้วย

โครงสร้างแบบรูพรุนถูกเตรียมด้วยเทคโนโลยี EBM โดยการปรับพารามิเตอร์การออกแบบให้เหมาะสมที่สุด และประเมินคุณสมบัติเชิงกล พบว่าชีวกลศาสตร์ของวัสดุพรุนที่ออกแบบมีความเหนือกว่าในการจำลองความเข้ากันได้ของเฟสและการจับคู่การฝังตัว ไทเทเนียมแบบรูพรุนสามชนิดที่มีน้ำหนัก 300 กรัม, 600 กรัม และ 900 ไมโครเมตรที่เตรียมโดย SLM ถูกฝังลงในกระดูกหน้าแข้งกระต่ายเพื่อศึกษาผลของอัตราส่วนรูพรุนต่อการเจริญเติบโตของกระดูก ผลการศึกษาพบว่าเนื้อเยื่อกระดูกที่มีโครงสร้างรูพรุนขนาด 600 ไมโครเมตร มีความยาวและความเข้ากันได้ทางชีวภาพที่ดีกว่า

จากมุมมองของการเจริญเติบโตของกระดูก โครงสร้างที่มีรูพรุนและช่องเปิดที่ปรับได้จะเอื้อต่อการส่งผ่านสารอาหารในร่างกายมนุษย์ได้ดีกว่า อีกทั้งยังสามารถส่งเสริมการเจริญเติบโตของกระดูก เพิ่มการผสมผสานระหว่างรากเทียมและฐานกระดูก และยืดอายุการใช้งานของขาเทียม เพื่อให้ได้ผลลัพธ์ทางการแพทย์ที่ดีกว่าโลหะผสมไทเทเนียมแบบโครงสร้างแข็ง ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา โลหะผสมไทเทเนียมแบบหลายรูถือเป็นวัสดุซ่อมแซมและเปลี่ยนเนื้อเยื่อแข็งชนิดใหม่ที่เหมาะสมที่สุดทางคลินิก และการประยุกต์ใช้วัสดุปลูกถ่ายโลหะผสมไทเทเนียมแบบพิมพ์ 3 มิติที่มีโครงสร้างจุลภาคหรือโครงสร้างทะลุทะลวงต่างๆ ก็ได้เปิดโลกทัศน์ใหม่เช่นกัน