Nova studija otkriva da su medicinski implantati od titana vrlo učinkoviti

3D proces ispisa titana

U usporedbi s tradicionalnim procesom, prednosti tehnologije 3D ispisa za proizvodnju personaliziranih figura kirurških implantata uglavnom se odražavaju u: karakteristike slobodnog oblikovanja 3D ispisa mogu brzo i točno prilagoditi unutarnji implantat, mogu prevladati tradicionalni univerzalni oblik figure implantata koji nije kompatibilan s ljudskim tijelom i njegova mehanička svojstva nisu na razini standardnih problema; U proizvodnji složenih struktura i proizvoda koji se teško obrađuju, personalizirane mikrostrukture, posebno porozne strukture, ne samo da mogu zadovoljiti specifična fizikalna i kemijska svojstva, već i poboljšati biohistokompatibilnost.

Ovaj niz prednosti može učinkovito prevladati uobičajene probleme zaštite od stresa i niske biološke aktivnosti implantata. Trenutačno najčešće korištene i naširoko korištene 3D ispisne legure titana su SLM tehnologija i EBM tehnologija.

Selektivno lasersko taljenje (SLM) koristi laser kao izvor topline za selektivno ozračivanje prethodno postavljenih praškastih materijala za postizanje brzog taljenja. Glavni princip rada je da pod zaštitnim okruženjem inertnog plina, instrument i oprema kontroliraju lasersku zraku u skladu s putanjom skeniranja punjenja koju generira način dizajna sustava za odabir i topljenje svakog sloja praha.

Zatim se platforma pomiče prema dolje, ponovno se postavlja prah i sinteriranje se ponavlja dok se ne formira cijeli oblik. Zaštita od inertnog plina sprječava reakciju metala s drugim plinovima na visokim temperaturama. SLM tehnologija je vrlo širok raspon materijala za oblikovanje, štedi materijal i može se reciklirati, ne treba dizajnirati i pripremiti složeni sustav podrške, ovaj niz prednosti čini SLM tehnologiju sve širom i širom primjenom.

Međutim, SLM ima i neke nedostatke: zbog ograničene snage lasera i kuta otklona skenirajućeg galvanometra, raspon veličina dijelova pripremljenih SLM-om bit će ograničen; Laseri velike snage i visokokvalitetna optička oprema su skupi za proizvodnju, što donekle povećava ekonomski teret. Zbog upotrebe praškastih materijala u SLM tehnologiji, kvaliteta površine kalupljenih dijelova može biti problematična, što zahtijeva sekundarnu obradu proizvoda koji se koristi za naknadni rad; Sferoidizacija i defekti savijanja također se mogu pojaviti u procesu obrade, što zahtijeva daljnji korak za striktno optimiziranje postupka obrade. Taljenje elektronskim snopom, EBM je proces koji koristi elektronski snop kao izvor topline za taljenje metalnog praha sloj po sloj u vakuumskom okruženju za dodatnu proizvodnju.

Njegov princip rada je: prethodno obloženi prah, otklon visokoenergetskog snopa elektrona nakon fokusiranja za proizvodnju visoke energije u lokalnom malom području za skeniranje sloja praha za proizvodnju visoke temperature, pa čak i taljenja, kontinuirano skeniranje snopom elektrona za proizvodnju energije između fuzije bazena taline i skrućivanja, povezanog u linearni i planarni metalni sloj.

Nakon završetka trenutnog sloja, ponovite operaciju postavljanja praha za oblikovanje. U proizvodnom procesu, EBM usvaja pravo okruženje za taljenje zraka kako bi se osigurala visoka čvrstoća materijala i izbjegla oksidacija legure. U usporedbi sa SLM-om, glavne prednosti EBM-a su: učinkovito generiranje snage elektronskog snopa troši manje energije, brzina proizvodnje je velika, tako da je stvarna ukupna snaga cijelog stroja visoka; Skretanje elektronskog snopa ne treba pomicati dio opreme, što dodatno poboljšava brzinu skeniranja. Dobro toplinsko okruženje osigurava stabilnost oblika 3D tiskanih dijelova, osigurava njegova statička mehanička svojstva, ispunjava biološke zahtjeve, a metalni prah se također može reciklirati.

Status i napredak 3D tiskanih kirurških implantata

Kirurški implantati i ortotika s 3D ispisom imaju obećavajuću perspektivu primjene u području osteologije. Sada ih ima sve više3D tiskani materijali za implantatekao što su slušna pomagala, protetski udovi, personalizirani vodiči za ortopedsku kirurgiju, umjetni zglobovi, umjetne vanjske uši, personalizirani zubni implantati i druge primjene u kliničkom personaliziranom liječenju. Prema izvješćima, 2014. istraživači sa Sveučilišta u Pekingu uspješno su implantirali 12-godišnjem dječaku personaliziranu 3D printanu umjetnu kralježnicu s mikrorupama, što je bio prvi slučaj u svijetu. Iste su godine liječnici i znanstvenici 5-godišnjoj djevojčici u Škotskoj ugradili 3D printani protetski dlan.

Stomatološki specijalistički centar 411. bolnice Narodnooslobodilačke vojske uspješno je upotrijebio EBM tehnologiju za prilagođavanje i ugradnju mandibularnog implantata od legure titana s visoko personaliziranom simulacijom anatomije za pacijenta s hemimaksilarnom resekcijom. Tijekom operacije u jednom je trenutku izvršena resekcija bolesne mandibule i individualizirani funkcionalni popravak, te je individualno sanirana i rekonstruirana defektna mandibula. Postoperativni učinak je bio zadovoljavajući. Lethaus B i drugi istraživači su tehnologijom 3D printanja rekonstruirali koštane i mikrovaskularne režnjeve kod 20 pacijenata s resekcijom mandibule, čime se skratilo vrijeme operacije i poboljšala kvaliteta operacije, a postoperativni učinak bio je dobar. Posljednjih godina slične vijesti i istraživanja pojavljuju se u beskrajnom nizu, što u potpunosti odražava dobre izglede za primjenu 3D ispisa u medicinskom polju.

Na strani ortopedskih proizvoda, 3D tiskani materijali za kirurške implantate također se postupno kreću prema komercijalizaciji i tržištu. Godine 2007. bioprintirane 3D printane čašice acetabuluma sa skelama od tvrdog tkiva koje je razvila talijanska tvrtka Adler Ortho i LIma-LTO prošle su CE certifikaciju. Exactechov proizvod odobrila je FDA 2010. Godine 2009. uređaj za fuziju tijela od potpuno titana koji je proizvela američka tvrtka AMT pomoću 3D ispisa također je prošao EU CE certifikaciju. Godine 2013. FDA je odobrila prvi proizvod bioprintanog implantata lubanje u Sjedinjenim Državama, koji je ujedno i prva svjetska personalizirana 3D printana figura PEEK implantata lubanje.

Na temelju toga, 2014. godine, United States Oxford Company dobila je odobrenje FDA za 3D printanje proizvoda od maksilofacijalne kosti (5IOK mod). Osim toga, objavljeno je da je u rujnu 2015. 3D tiskani ljudski implantat - umjetni zglob kuka koji su razvili Third Hospital of Beijing Medicine i Beijing Aikang Yicheng Medical Equipment Co., LTD., registriran od strane Državne uprave za hranu i lijekove. 3D printani zglob kuka ušao je u "fazu masovne proizvodnje", što znači da su i kineski 3D printani implantati zakoračili u fazu proizvodnje.

Tehnologija 3D ispisa pokazala je sve važniju ulogu u inovacijama medicinske znanosti i tehnologije, a istraživanje i primjena raznih personaliziranih implantatnih proteza, protetskih udova, zubnih implantata i drugih aspekata također su sve opsežniji. Dakle, procjena biološke sigurnosti implantata pripremljenih ovim novim procesom zahtijeva sve više pažnje.

Istraživanje biološke sigurnosti 3D ispisa titana

Sigurnost biomedicinskih materijala uglavnom se ogleda u interakciji između tkiva i materijala. Kako bi biomedicinski metalni materijali zadovoljili standarde implantiranih uređaja, mora se zahtijevati da reakcija uzrokovana implantacijom u ljudskom tijelu bude na prihvatljivoj razini, a da u isto vrijeme ne može izazvati kvalitativne promjene u strukturi i svojstvima materijala. Interakcija između ljudskog tijela i ljudskog tijela uglavnom se ogleda u njegovoj biokompatibilnosti i biološkoj funkciji.

Stoga, nakon ugradnje u ljudsko tijelo, implantat ne bi trebao izazvati neželjene reakcije kao što su alergija, upala i kemija u ljudskim stanicama, krvi i organima, ili odbacivanje ljudskih stranih tijela. Istodobno, također se zahtijeva da implantati koje je potrebno dugo ugrađivati ​​moraju imati dobra statičko mehanička svojstva, odnosno dovoljnu čvrstoću, odgovarajući modul elastičnosti, visoku stabilnost, dobru otpornost na koroziju i trajnu trajnost. Sada se kirurška implantacija legure titana naširoko koristi u kliničkoj praksi, a istraživanje biokompatibilnosti također je zrelo. Stoga se sigurnost dijelova od legure titana koji se odnose na 3D ispis uglavnom usredotočuje na sigurnost njihove biomehaničke funkcije.

Još je u tijeku istraživanje o tome je li 3D tiskani metalni implantat usporediv s općim proizvodima implantata tradicionalnog procesa u smislu mehaničkih svojstava, otpornosti na koroziju i biokompatibilnosti te mogu li neka od statičkih mehaničkih svojstava implantata od legure zadovoljiti kliničku primjenu i nacionalne standarde. Utvrđeno je da djelomična statička mehanička svojstva 3D tiskanih titanskih implantata mogu zadovoljiti kliničke potrebe. Uzorci Ti6A14V pripremljeni EBM tehnikom ispitani su direktnim vlačnim testom i testom vrućeg izostatičkog prešanja. Rezultati su pokazali da je čvrstoća uzoraka TI6A14V premašila standard za kovanje.

Otpornost na koroziju Co-Cr-Mo legure pripremljene SLM tehnologijom slična je onoj legure pripremljene tradicionalnim postupkom, a količina otapanja iona u simuliranom okruženju sline manja je kod 3D ispisa nego kod legure tradicionalnog procesa. Tvrtka EOS utvrdila je da proizvod Ti6A14V pripremljen DMLS tehnologijom ima ista statička mehanička svojstva i otpornost na zamor kao i tradicionalno kovanje kroz razumnu naknadnu obradu. Uređaj za fuziju kralježaka od porozne legure titana koji je pripremio EBM implantiran je u tijelo koze i postigao je dobre rezultate u modelu cervikalne fuzije ovaca. Sučelje koštanog materijala bilo je bolje od PEEK uređaja za fuziju.

Klinički, modul elastičnosti i druga mehanička svojstva legure titana ne odgovaraju svojstvima ljudske kosti, što će dovesti do fenomena "zaštite od naprezanja" u perifernom koštanom tkivu implantata i uzrokovati osteoporozu, što će rezultirati apsorpcijom kosti, labavljenjem i gubitkom implantata i otkazivanjem. Kako bi se smanjio ovaj problem s implantatima od titana, implantati s poroznom strukturom upali su u oči istraživača. Sada su studije pokazale da 3D ispis može prilagoditi mikrostrukturu implantata s visokom preciznošću kako bi se promijenio njihov modul elastičnosti i mehanička svojstva, kako bi se uskladili s ljudskim koštanim tkivom i dodatno poboljšali biomehaničke funkcije na temelju osiguravanja odgovarajućeg fiziološkog opterećenja.

Kontrolirana struktura tijela Ti6AI4V proizvedena je tehnologijom EBM oblikovanja, a unutarnja struktura šupljina je konzistentna s teoretskim dizajnom pod skenirajućom elektronskom mikroskopijom, čime je postignuta točna kontrola EBM-a na strukturi 3D tiskanih proizvoda. Kroz ispitivanje mehaničkih svojstava, odgovarajuća tlačna čvrstoća je 163MPa, a modul elastičnosti je 14MPa pri 60,1% poroznosti pora, što je blizu ljudske kosti. Kultura stanica in vitro također je pokazala dobru kompatibilnost stanica.

Porozne skele su pripremljene EBM tehnologijom kroz optimizaciju projektnih parametara, te su ocijenjena njihova mehanička svojstva. Utvrđeno je da je biomehanika dizajniranih poroznih materijala imala visok stupanj superiornosti u simulaciji kompatibilnosti faza i podudarnosti implantacije. Tri vrste poroznog titana od 300gm, 600gm i 900~tm koje je pripremio SLM implantirane su u tibiju zeca kako bi se istražio učinak omjera pora na rast kostiju. Rezultati su pokazali da koštano tkivo s poroznom strukturom od 600 m ima bolju duljinu i biokompatibilnost.

S gledišta rasta kostiju, skela s podesivom poroznošću i otvorom bit će pogodnija za prijenos i prijenos hranjivih tvari u ljudskom tijelu, a također može promicati sposobnost rasta kostiju, povećati kombinaciju implantata i koštanih ležišta i produžiti životni vijek proteze, kako bi se postigli bolji medicinski učinci od čvrste strukture titanijeve legure. Posljednjih godina, legura titana s više rupa korak po korak smatra se najidealnijim kliničkim novim materijalom za popravak i zamjenu tvrdog tkiva, a primjena 3D tiskanih implantata od legure titana s različitim mikroskopskim strukturama ili kroz strukture također je otvorila novo polje.