नवीन अभ्यासात टायटॅनियम मेडिकल इम्प्लांट्स अत्यंत प्रभावी असल्याचे आढळून आले आहे.

3D प्रिंटिंग टायटॅनियम प्रक्रिया

पारंपारिक प्रक्रियेच्या तुलनेत, वैयक्तिकृत सर्जिकल इम्प्लांट आकृत्या तयार करण्यासाठी 3D प्रिंटिंग तंत्रज्ञानाचे फायदे प्रामुख्याने यामध्ये दिसून येतात: 3D प्रिंटिंग फ्री फॉर्मिंग वैशिष्ट्ये अंतर्गत इम्प्लांट जलद आणि अचूकपणे सानुकूलित करू शकतात, पारंपारिक सार्वत्रिक इम्प्लांट आकृतीचा आकार मानवी शरीराशी विसंगत आहे आणि त्याचे यांत्रिक गुणधर्म मानक समस्यांपर्यंत पोहोचत नाहीत यावर मात करू शकतात; जटिल संरचना आणि प्रक्रिया करण्यास कठीण उत्पादनांच्या निर्मितीमध्ये, वैयक्तिकृत सूक्ष्म-संरचना, विशेषतः छिद्रयुक्त संरचना, केवळ विशिष्ट भौतिक आणि रासायनिक गुणधर्मांची पूर्तता करू शकत नाहीत, तर बायोहिस्टोकॉम्पॅबिलिटी देखील वाढवू शकतात.

या फायद्यांच्या मालिकेमुळे ताण संरक्षण आणि इम्प्लांट्सच्या कमी जैविक क्रियाकलापांच्या सामान्य समस्यांवर प्रभावीपणे मात करता येते. सध्या, सर्वात जास्त वापरले जाणारे आणि मोठ्या प्रमाणावर वापरले जाणारे 3D प्रिंटिंग टायटॅनियम मिश्र धातु म्हणजे SLM तंत्रज्ञान आणि EBM तंत्रज्ञान.

सिलेक्टिव्ह लेसर मेल्टिंग (SLM) लेसरचा वापर उष्णता स्त्रोत म्हणून करते जेणेकरून प्री-लेड पावडर मटेरियल निवडकपणे विकिरणित होऊन जलद वितळण्याची प्रक्रिया साध्य होते. मुख्य कार्य तत्व असे आहे की निष्क्रिय वायू संरक्षण वातावरणात, पावडरचा प्रत्येक थर निवडण्यासाठी आणि वितळविण्यासाठी सिस्टम डिझाइन मोडद्वारे तयार केलेल्या फिलिंग स्कॅनिंग मार्गानुसार उपकरणे आणि उपकरणे लेसर बीम नियंत्रित करतात.

नंतर प्लॅटफॉर्म खाली हलवला जातो, पावडर पुन्हा घातली जाते आणि संपूर्ण आकार तयार होईपर्यंत सिंटरिंगची पुनरावृत्ती केली जाते. निष्क्रिय वायू संरक्षण उच्च तापमानात धातूला इतर वायूंशी प्रतिक्रिया देण्यापासून प्रतिबंधित करते. SLM तंत्रज्ञान हे फॉर्मिंग मटेरियलची खूप विस्तृत श्रेणी आहे, मटेरियल सेव्हिंग आणि रिसायकलिंग आहे, जटिल सपोर्ट सिस्टम डिझाइन आणि तयार करण्याची आवश्यकता नाही, या फायद्यांच्या मालिकेमुळे SLM तंत्रज्ञानाचा वापर अधिकाधिक प्रमाणात होत आहे.

तथापि, SLM मध्ये काही तोटे देखील आहेत: मर्यादित लेसर पॉवर आणि स्कॅनिंग गॅल्व्हनोमीटर डिफ्लेक्शन अँगलमुळे, SLM द्वारे तयार केलेल्या भागांची आकार श्रेणी मर्यादित असेल; उच्च-शक्तीचे लेसर आणि उच्च-गुणवत्तेचे ऑप्टिकल उपकरणे तयार करणे महाग आहे, ज्यामुळे काही प्रमाणात आर्थिक भार वाढतो. SLM तंत्रज्ञानामध्ये पावडर मटेरियलच्या वापरामुळे, मोल्ड केलेल्या भागांची पृष्ठभागाची गुणवत्ता समस्याप्रधान असू शकते, ज्यामुळे उत्पादनाची दुय्यम प्रक्रिया पुढील कामासाठी वापरावी लागते; प्रक्रिया प्रक्रियेत स्फेरोइडायझेशन आणि वॉर्पिंग दोष देखील उद्भवू शकतात, ज्यासाठी प्रक्रिया प्रक्रिया काटेकोरपणे ऑप्टिमाइझ करण्यासाठी पुढील पाऊल आवश्यक आहे. इलेक्ट्रॉन बीम वितळणे, EBM ही एक प्रक्रिया आहे जी अॅडिटीव्ह मॅन्युफॅक्चरिंगसाठी व्हॅक्यूम वातावरणात धातूच्या पावडरचा थर थर थर वितळविण्यासाठी इलेक्ट्रॉन बीमचा उष्णता स्रोत म्हणून वापर करते.

त्याचे कार्य तत्व असे आहे: प्री-लेपित पावडर, उच्च-ऊर्जा इलेक्ट्रॉन बीम विक्षेपण, स्थानिक लहान क्षेत्रात उच्च ऊर्जा निर्माण करण्यासाठी लक्ष केंद्रित केल्यानंतर, उच्च तापमान निर्माण करण्यासाठी आणि अगदी वितळण्यासाठी पावडर थर स्कॅन करणे, इलेक्ट्रॉन बीम सतत स्कॅनिंगद्वारे वितळलेल्या पूल फ्यूजन आणि सॉलिडिफिकेशन दरम्यान ऊर्जा निर्माण करणे, एका रेषीय आणि प्लॅनर धातूच्या थरात जोडलेले.

सध्याचा थर पूर्ण केल्यानंतर, पावडर लेइंग ऑपरेशन पुन्हा करा जेणेकरून ते तयार होईल. उत्पादन प्रक्रियेत, EBM हे पदार्थाची उच्च शक्ती सुनिश्चित करण्यासाठी आणि मिश्रधातूचे ऑक्सिडेशन टाळण्यासाठी खऱ्या हवेतील वितळण्याच्या वातावरणाचा अवलंब करते. SLM च्या तुलनेत, EBM चे मुख्य फायदे आहेत: इलेक्ट्रॉन बीम पॉवरची कार्यक्षम निर्मिती कमी वीज वापरते, उत्पादन गती जास्त असते, ज्यामुळे संपूर्ण मशीनची वास्तविक एकूण शक्ती जास्त असते; इलेक्ट्रॉन बीमच्या विक्षेपणामुळे उपकरणाचा भाग हलविण्याची आवश्यकता नसते, ज्यामुळे स्कॅनिंग गती आणखी सुधारते. चांगले थर्मल वातावरण 3D प्रिंटेड भागांची आकार स्थिरता सुनिश्चित करते, त्याचे स्थिर यांत्रिक गुणधर्म सुनिश्चित करते, जैविक आवश्यकता पूर्ण करते आणि धातूची पावडर देखील पुनर्वापर करता येते.

३डी प्रिंटेड सर्जिकल इम्प्लांटची स्थिती आणि प्रगती

ऑस्टियोलॉजीच्या क्षेत्रात ३डी प्रिंटिंगसह सर्जिकल इम्प्लांट आणि ऑर्थोटिक्सचा वापर आशादायक आहे. आता अधिकाधिक होत आहे३डी प्रिंटेड इम्प्लांट मटेरियलजसे की श्रवण एड्स, कृत्रिम अवयव, वैयक्तिकृत ऑर्थोपेडिक शस्त्रक्रिया मार्गदर्शक, कृत्रिम सांधे, कृत्रिम बाह्य कान, वैयक्तिकृत दंत रोपण आणि क्लिनिकल वैयक्तिकृत उपचारांमध्ये इतर अनुप्रयोग. अहवालांनुसार, २०१४ मध्ये, पेकिंग विद्यापीठातील संशोधकांनी १२ वर्षांच्या मुलावर सूक्ष्म छिद्रांसह वैयक्तिकृत ३D प्रिंटेड कृत्रिम मणक्याचे यशस्वीरित्या रोपण केले, जे जगातील पहिले प्रकरण होते. त्याच वर्षी, डॉक्टर आणि शास्त्रज्ञांनी स्कॉटलंडमधील एका ५ वर्षांच्या मुलीला ३D प्रिंटेड कृत्रिम पाम बसवले.

पीपल्स लिबरेशन आर्मीच्या ४११ व्या हॉस्पिटलच्या स्टोमॅटोलॉजी स्पेशॅलिटी सेंटरने EBM तंत्रज्ञानाचा वापर करून हेमिमॅक्सिलरी रिसेक्शन रुग्णासाठी शरीरशास्त्राच्या अत्यंत वैयक्तिकृत सिम्युलेशनसह मॅन्डिब्युलर टायटॅनियम अलॉय इम्प्लांटचे कस्टम आणि इम्प्लांट यशस्वीरित्या केले. ऑपरेशन दरम्यान, रोगग्रस्त मॅन्डिबलचे रिसेक्शन आणि वैयक्तिकृत फंक्शनल दुरुस्ती एकाच वेळी पूर्ण झाली आणि दोषपूर्ण मॅन्डिबलची वैयक्तिकरित्या दुरुस्ती आणि पुनर्बांधणी करण्यात आली. पोस्टऑपरेटिव्ह इफेक्ट समाधानकारक होता. लेथॉस बी आणि इतर संशोधकांनी मॅन्डिब्युलर रिसेक्शन असलेल्या २० रुग्णांमध्ये हाडे आणि मायक्रोव्हस्कुलर फ्लॅप्सची पुनर्बांधणी करण्यासाठी ३D प्रिंटिंग तंत्रज्ञानाचा वापर केला, ज्यामुळे ऑपरेशनचा वेळ कमी झाला आणि ऑपरेशनची गुणवत्ता सुधारली आणि पोस्टऑपरेटिव्ह इफेक्ट चांगला होता. अलिकडच्या वर्षांत, अशाच बातम्या आणि संशोधन अंतहीन प्रवाहात समोर आले आहेत, जे वैद्यकीय क्षेत्रात ३D प्रिंटिंगच्या चांगल्या अनुप्रयोगाच्या शक्यता पूर्णपणे प्रतिबिंबित करतात.

ऑर्थोपेडिक उत्पादनांसोबतच, 3D प्रिंटेड सर्जिकल इम्प्लांट मटेरियल देखील हळूहळू व्यापारीकरण आणि बाजारपेठेकडे वाटचाल करत आहेत. 2007 मध्ये, इटालियन कंपनी अॅडलर ऑर्थो आणि LIMA-LTO ने विकसित केलेल्या हार्ड टिश्यू स्कॅफोल्डर्ससह बायोप्रिंटेड 3D प्रिंटेड एसीटाबुलम कपने CE प्रमाणपत्र उत्तीर्ण केले. 2010 मध्ये Exactech च्या उत्पादनाला FDA ने मान्यता दिली. 2009 मध्ये, 3D प्रिंटिंग वापरून अमेरिकन AMT कंपनीने उत्पादित केलेल्या ऑल-टायटॅनियम बॉडी फ्यूजन डिव्हाइसने EU CE प्रमाणपत्र देखील उत्तीर्ण केले. 2013 मध्ये, युनायटेड स्टेट्समधील पहिल्या बायोप्रिंटेड स्कल इम्प्लांट उत्पादनाला FDA ने मान्यता दिली, जी जगातील पहिली वैयक्तिकृत 3D प्रिंटेड PEEK स्कल इम्प्लांट आकृती देखील आहे.

या आधारावर, २०१४ मध्ये, युनायटेड स्टेट्स ऑक्सफर्ड कंपनीला ३डी प्रिंटिंग मॅक्सिलोफेशियल हाडांच्या उत्पादनांसाठी (५आयओके मोड) एफडीएची मान्यता मिळाली. याव्यतिरिक्त, सप्टेंबर २०१५ मध्ये, थर्ड हॉस्पिटल ऑफ बीजिंग मेडिसिन आणि बीजिंग आयकांग यिचेंग मेडिकल इक्विपमेंट कंपनी लिमिटेड यांनी विकसित केलेले ३डी प्रिंटेड मानवी इम्प्लांट - कृत्रिम हिप जॉइंटची नोंदणी राज्य अन्न आणि औषध प्रशासनाने केली आहे. ३डी प्रिंटेड हिप जॉइंट "मोठ्या प्रमाणात उत्पादन टप्प्यात" प्रवेश केला आहे, याचा अर्थ चीनचे ३डी प्रिंटिंग इम्प्लांट देखील उत्पादन टप्प्यात पाऊल टाकले आहेत.

वैद्यकीय विज्ञान आणि तंत्रज्ञानाच्या नवोपक्रमात 3D प्रिंटिंग तंत्रज्ञानाची भूमिका वाढत चालली आहे आणि विविध वैयक्तिकृत इम्प्लांट प्रोस्थेसिस, प्रोस्थेटिक लिम्ब्स, डेंटल इम्प्लांट्स आणि इतर पैलूंचे संशोधन आणि वापर देखील अधिकाधिक व्यापक होत आहे. म्हणून, या नवीन प्रक्रियेद्वारे तयार केलेल्या इम्प्लांट्सच्या जैवसुरक्षा मूल्यांकनाकडे अधिकाधिक लक्ष देण्याची आवश्यकता आहे.

थ्रीडी प्रिंटिंग टायटॅनियमच्या जैवसुरक्षेवर संशोधन

जैववैद्यकीय साहित्याची सुरक्षितता प्रामुख्याने ऊती आणि पदार्थांमधील परस्परसंवादात प्रतिबिंबित होते. जैववैद्यकीय धातू पदार्थांना रोपण केलेल्या उपकरणांच्या मानकांची पूर्तता करण्यासाठी, मानवी शरीरात रोपणामुळे होणारी प्रतिक्रिया स्वीकार्य पातळीवर असणे आवश्यक आहे आणि त्याच वेळी, ते पदार्थाच्या संरचनेत आणि गुणधर्मांमध्ये गुणात्मक बदल घडवून आणू शकत नाही. मानवी शरीर आणि मानवी शरीरातील परस्परसंवाद प्रामुख्याने त्याच्या जैव सुसंगतता आणि जैविक कार्यामध्ये प्रतिबिंबित होतो.

म्हणून, मानवी शरीरात रोपण केल्यानंतर, इम्प्लांटमुळे ऍलर्जी, जळजळ आणि मानवी पेशी, रक्त आणि अवयवांमध्ये रसायनशास्त्र किंवा मानवी परदेशी शरीरे नाकारणे यासारख्या प्रतिकूल प्रतिक्रिया होऊ नयेत. त्याच वेळी, दीर्घकाळ रोपण करायच्या असलेल्या इम्प्लांटमध्ये चांगले स्थिर यांत्रिक गुणधर्म असणे आवश्यक आहे, म्हणजेच पुरेशी ताकद, योग्य लवचिक मापांक, उच्च स्थिरता, चांगले गंज प्रतिकार आणि टिकाऊ टिकाऊपणा. आता क्लिनिकल प्रॅक्टिसमध्ये टायटॅनियम मिश्र धातुचे शस्त्रक्रिया रोपण मोठ्या प्रमाणावर वापरले जाते आणि जैव सुसंगतता संशोधन देखील परिपक्व झाले आहे. म्हणूनच, 3D प्रिंटिंगशी संबंधित टायटॅनियम मिश्र धातु भागांची सुरक्षितता प्रामुख्याने त्याच्या बायोमेकॅनिकल कार्याच्या सुरक्षिततेवर केंद्रित आहे.

यांत्रिक गुणधर्म, गंज प्रतिकार आणि जैव सुसंगततेच्या बाबतीत 3D प्रिंटेड मेटल इम्प्लांट पारंपारिक प्रक्रियेच्या सामान्य इम्प्लांट उत्पादनांशी तुलनात्मक आहे का आणि मिश्र धातु इम्प्लांटचे काही स्थिर यांत्रिक गुणधर्म क्लिनिकल अनुप्रयोग आणि राष्ट्रीय मानके पूर्ण करू शकतात का यावर संशोधन अजूनही प्रगतीपथावर आहे. असे आढळून आले आहे की 3D प्रिंटेड टायटॅनियम इम्प्लांटचे आंशिक स्थिर यांत्रिक गुणधर्म क्लिनिकल गरजा पूर्ण करू शकतात. EBM तंत्राने तयार केलेले Ti6A14V नमुने डायरेक्ट टेन्सिल टेस्ट आणि हॉट आयसोस्टॅटिक प्रेसिंग टेस्टद्वारे तपासले गेले. निकालांवरून असे दिसून आले की TI6A14V नमुन्यांची ताकद फोर्जिंग मानकांपेक्षा जास्त आहे.

SLM तंत्रज्ञानाद्वारे तयार केलेल्या Co-Cr-Mo मिश्रधातूचा गंज प्रतिकार पारंपारिक प्रक्रियेद्वारे तयार केलेल्या मिश्रधातूसारखाच असतो आणि सिम्युलेटेड लाळ वातावरणात आयन विरघळण्याचे प्रमाण पारंपारिक प्रक्रिया मिश्रधातूपेक्षा कमी 3D प्रिंटिंग असते. DMLS तंत्रज्ञानाद्वारे तयार केलेल्या Ti6A14V उत्पादनात EOS कंपनीने वाजवी पोस्ट-प्रोसेसिंगद्वारे पारंपारिक फोर्जिंगसारखेच स्थिर यांत्रिक गुणधर्म आणि थकवा प्रतिरोधकता असल्याचे आढळून आले. EBM द्वारे तयार केलेले सच्छिद्र टायटॅनियम मिश्रधातू कशेरुकाचे फ्यूजन उपकरण शेळीच्या शरीरात रोपण केले गेले आणि मेंढ्यांच्या ग्रीवाच्या फ्यूजन मॉडेलमध्ये चांगले परिणाम मिळाले. हाड-मटेरियल इंटरफेस PEEK फ्यूजन उपकरणापेक्षा चांगला होता.

वैद्यकीयदृष्ट्या, टायटॅनियम मिश्रधातूचे लवचिक मापांक आणि इतर यांत्रिक गुणधर्म मानवी हाडांच्या गुणधर्मांशी जुळत नाहीत, ज्यामुळे इम्प्लांटच्या परिधीय हाडांच्या ऊतींमध्ये "स्ट्रेस शिल्डिंग" ची घटना घडते आणि ऑस्टियोपोरोसिस होतो, ज्यामुळे हाडे शोषली जातात, सैल होतात आणि इम्प्लांटचे नुकसान होते आणि बिघाड होतो. टायटॅनियम इम्प्लांटसह ही समस्या कमी करण्यासाठी, सच्छिद्र रचना इम्प्लांट संशोधकांच्या नजरेत आले आहेत. आता, अभ्यासातून असे दिसून आले आहे की 3D प्रिंटिंग इम्प्लांटची सूक्ष्म रचना उच्च अचूकतेने समायोजित करू शकते जेणेकरून त्यांचे लवचिक मापांक आणि यांत्रिक गुणधर्म बदलता येतील, जेणेकरून मानवी हाडांच्या ऊतींशी जुळेल आणि योग्य शारीरिक भार सुनिश्चित करून बायोमेकॅनिकल कार्ये आणखी सुधारता येतील.

Ti6AI4V बॉडीची नियंत्रित रचना EBM फॉर्मिंग तंत्रज्ञानाद्वारे तयार केली गेली होती आणि अंतर्गत व्हॉइड स्ट्रक्चर स्कॅनिंग इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोपी अंतर्गत सैद्धांतिक डिझाइनशी सुसंगत असल्याचे आढळून आले, ज्यामुळे 3D प्रिंटेड उत्पादनांच्या स्ट्रक्चरवर EBM चे अचूक नियंत्रण साध्य झाले. यांत्रिक कामगिरी चाचणीद्वारे, संबंधित कॉम्प्रेसिव्ह स्ट्रेंथ 163MPa आहे आणि लवचिक मापांक 60.1% पोर पोरोसिटीवर 14MPa आहे, जे मानवी हाडांच्या जवळ आहे. इन विट्रो सेल कल्चरने देखील चांगली सेल सुसंगतता दर्शविली.

डिझाइन पॅरामीटर्सच्या ऑप्टिमायझेशनद्वारे EBM तंत्रज्ञानाद्वारे सच्छिद्र स्कॅफोल्ड तयार केले गेले आणि त्यांच्या यांत्रिक गुणधर्मांचे मूल्यांकन केले गेले. असे आढळून आले की डिझाइन केलेल्या सच्छिद्र पदार्थांच्या बायोमेकॅनिक्समध्ये फेज कंपॅटिबिलिटी आणि इम्प्लांटेशन मॅचिंगच्या सिम्युलेशनमध्ये उच्च दर्जाची श्रेष्ठता होती. हाडांच्या वाढीवरील छिद्र गुणोत्तराच्या परिणामाची तपासणी करण्यासाठी SLM द्वारे तयार केलेले 300gm, 600gm आणि 900~tm असलेले तीन प्रकारचे सच्छिद्र टायटॅनियम सशाच्या टिबियामध्ये रोपण केले गेले. परिणामांवरून असे दिसून आले की 600~m सच्छिद्र रचना असलेल्या हाडांच्या ऊतींची लांबी आणि जैव सुसंगतता चांगली होती.

हाडांच्या वाढीच्या दृष्टिकोनातून, समायोज्य सच्छिद्रता आणि छिद्र असलेला स्कॅफोल्ड मानवी शरीरात पोषक तत्वांचे प्रसारण आणि प्रसारण करण्यासाठी अधिक अनुकूल असेल आणि हाडांच्या वाढीची क्षमता वाढवू शकतो, इम्प्लांट्स आणि हाडांच्या बेडचे संयोजन वाढवू शकतो आणि कृत्रिम अवयवांचे सेवा आयुष्य वाढवू शकतो, जेणेकरून घन संरचना टायटॅनियम मिश्र धातुपेक्षा चांगले वैद्यकीय परिणाम मिळू शकतील. अलिकडच्या वर्षांत, मल्टी-होल टायटॅनियम मिश्र धातु चरण-दर-चरण सर्वात आदर्श क्लिनिकल नवीन हार्ड टिशू दुरुस्ती आणि बदलण्याचे साहित्य मानले जाते आणि विविध सूक्ष्म संरचनांसह किंवा संरचनांद्वारे 3D प्रिंटेड टायटॅनियम मिश्र धातु इम्प्लांटच्या वापराने देखील एक नवीन क्षेत्र उघडले आहे.