नयाँ अध्ययनले टाइटेनियम मेडिकल इम्प्लान्टहरू अत्यधिक प्रभावकारी फेला पारेको छ

थ्रीडी प्रिन्टिङ टाइटेनियम प्रक्रिया

परम्परागत प्रक्रियाको तुलनामा, व्यक्तिगत शल्यक्रिया इम्प्लान्ट फिगरहरू निर्माण गर्न थ्रीडी प्रिन्टिङ टेक्नोलोजीका फाइदाहरू मुख्यतया निम्नमा प्रतिबिम्बित हुन्छन्: थ्रीडी प्रिन्टिङ फ्री फर्मिङ विशेषताहरूले आन्तरिक इम्प्लान्टलाई छिटो र सही रूपमा अनुकूलित गर्न सक्छ, परम्परागत विश्वव्यापी इम्प्लान्ट फिगरको आकारलाई पार गर्न सक्छ जुन मानव शरीरसँग असंगत छ र यसको मेकानिकल गुणहरू मानक समस्याहरू सम्म छैनन्; जटिल संरचनाहरू र प्रक्रिया गर्न गाह्रो उत्पादनहरूको निर्माणमा, व्यक्तिगत सूक्ष्म-संरचनाहरू, विशेष गरी संरचनाहरू मार्फत छिद्रपूर्ण, विशिष्ट भौतिक र रासायनिक गुणहरू मात्र पूरा गर्न सक्दैनन्, तर बायोहिस्टोकम्प्याटिबिलिटी पनि बढाउन सक्छन्।

यस श्रृंखलाका फाइदाहरूले तनाव संरक्षण र इम्प्लान्टहरूको कम जैविक गतिविधिको सामान्य समस्याहरूलाई प्रभावकारी रूपमा पार गर्न सक्छ। हाल, सबैभन्दा धेरै प्रयोग हुने र व्यापक रूपमा प्रयोग हुने थ्रीडी प्रिन्टिङ टाइटेनियम मिश्र धातुहरू एसएलएम प्रविधि र ईबीएम प्रविधि हुन्।

सेलेक्टिभ लेजर मेल्टिङ (SLM) लेजरलाई ताप स्रोतको रूपमा प्रयोग गर्दछ जसले पूर्व-लेड पाउडर सामग्रीहरूलाई छिटो पग्लने गठन प्राप्त गर्न छनौट रूपमा विकिरण गर्दछ। मुख्य कार्य सिद्धान्त यो हो कि निष्क्रिय ग्यास सुरक्षा वातावरण अन्तर्गत, उपकरण र उपकरणहरूले पाउडरको प्रत्येक तह चयन गर्न र पग्लन प्रणाली डिजाइन मोडद्वारा उत्पन्न भरिने स्क्यानिङ मार्ग अनुसार लेजर बीमलाई नियन्त्रण गर्दछ।

त्यसपछि प्लेटफर्म तल सारिन्छ, पाउडर फेरि राखिन्छ र सम्पूर्ण आकार नबन्दासम्म सिन्टरिङ दोहोरिन्छ। निष्क्रिय ग्यास सुरक्षाले धातुलाई उच्च तापक्रममा अन्य ग्यासहरूसँग प्रतिक्रिया गर्नबाट रोक्छ। SLM प्रविधि निर्माण सामग्रीहरूको धेरै विस्तृत दायरा हो, सामग्री बचत गर्ने र पुन: प्रयोग गर्न मिल्ने, जटिल समर्थन प्रणाली डिजाइन र तयारी गर्न आवश्यक पर्दैन, फाइदाहरूको यो श्रृंखलाले SLM प्रविधिलाई अधिक र अधिक व्यापक रूपमा प्रयोग गरिन्छ।

यद्यपि, SLM का केही कमजोरीहरू पनि छन्: सीमित लेजर पावर र स्क्यानिङ ग्याल्भानोमिटर डिफ्लेक्शन कोणको कारणले गर्दा, SLM द्वारा तयार पारिएका भागहरूको आकार दायरा सीमित हुनेछ; उच्च-शक्ति लेजरहरू र उच्च-गुणस्तरका अप्टिकल उपकरणहरू निर्माण गर्न महँगो हुन्छन्, जसले केही हदसम्म आर्थिक बोझ बढाउँछ। SLM प्रविधिमा पाउडर सामग्रीहरूको प्रयोगको कारण, मोल्ड गरिएका भागहरूको सतह गुणस्तर समस्याग्रस्त हुन सक्छ, जसको लागि उत्पादनको माध्यमिक प्रशोधन पछिको कामको लागि प्रयोग गर्न आवश्यक पर्दछ; प्रशोधन प्रक्रियामा गोलाकारीकरण र वार्पिङ दोषहरू पनि हुन सक्छन्, जसको लागि प्रशोधन प्रक्रियालाई कडाइका साथ अनुकूलन गर्न थप कदम चाल्न आवश्यक पर्दछ। इलेक्ट्रोन बीम पग्लने, EBM एक प्रक्रिया हो जसले इलेक्ट्रोन बीमलाई ताप स्रोतको रूपमा प्रयोग गर्दछ जसले धातुको पाउडर तहलाई तहद्वारा तह पगाल्न थप उत्पादनको लागि भ्याकुम वातावरणमा।

यसको कार्य सिद्धान्त हो: पूर्व-लेपित पाउडर, उच्च-ऊर्जा इलेक्ट्रोन बीम विक्षेपण स्थानीय सानो क्षेत्रमा उच्च ऊर्जा उत्पादन गर्न ध्यान केन्द्रित गरेपछि पाउडर तह स्क्यान गर्न उच्च तापक्रम उत्पादन गर्न र पग्लन पनि, इलेक्ट्रोन बीम निरन्तर स्क्यानिङ मार्फत पग्लने पूल फ्युजन र ठोसीकरण बीच ऊर्जा उत्पादन गर्न, रेखीय र समतल धातु तहमा जोडिएको।

हालको तह समाप्त गरेपछि, पाउडर बिछ्याउने कार्य दोहोर्याउनुहोस्। उत्पादन प्रक्रियामा, EBM ले सामग्रीको उच्च शक्ति सुनिश्चित गर्न र मिश्र धातुको अक्सिडेशनबाट बच्न वास्तविक हावा पग्लने वातावरण अपनाउँछ। SLM को तुलनामा, EBM का मुख्य फाइदाहरू हुन्: इलेक्ट्रोन बीम पावरको कुशल उत्पादनले कम शक्ति खपत गर्छ, उत्पादन गति उच्च हुन्छ, जसले गर्दा सम्पूर्ण मेसिनको वास्तविक कुल शक्ति उच्च हुन्छ; इलेक्ट्रोन बीमको विक्षेपनले उपकरणको भाग सार्न आवश्यक पर्दैन, जसले स्क्यानिङ गतिलाई अझ सुधार गर्छ। राम्रो थर्मल वातावरणले 3D प्रिन्टेड भागहरूको आकार स्थिरता सुनिश्चित गर्दछ, यसको स्थिर मेकानिकल गुणहरू सुनिश्चित गर्दछ, जैविक आवश्यकताहरू पूरा गर्दछ, र धातु पाउडर पनि पुन: प्रयोग गर्न सकिन्छ।

थ्रीडी प्रिन्टेड सर्जिकल इम्प्लान्टको स्थिति र प्रगति

थ्रीडी प्रिन्टिङ भएको सर्जिकल इम्प्लान्ट र अर्थोटिक्सको अस्थि विज्ञानको क्षेत्रमा आशाजनक प्रयोगको सम्भावना छ। अब त्यहाँ धेरै भन्दा धेरै छन्थ्रीडी प्रिन्टेड इम्प्लान्ट सामग्रीहरूजस्तै श्रवण एड्स, कृत्रिम अंग, व्यक्तिगत अर्थोपेडिक शल्यक्रिया गाइड, कृत्रिम जोर्नी, कृत्रिम बाहिरी कान, व्यक्तिगत दन्त प्रत्यारोपण र क्लिनिकल व्यक्तिगत उपचारमा अन्य अनुप्रयोगहरू। रिपोर्टहरू अनुसार, २०१४ मा, पेकिङ विश्वविद्यालयका अनुसन्धानकर्ताहरूले १२ वर्षीय केटालाई सूक्ष्म प्वालहरू भएको व्यक्तिगत ३D प्रिन्टेड कृत्रिम मेरुदण्ड सफलतापूर्वक प्रत्यारोपण गरे, जुन संसारको पहिलो केस थियो। सोही वर्ष, डाक्टर र वैज्ञानिकहरूले स्कटल्याण्डमा ५ वर्षीया केटीलाई ३D प्रिन्टेड कृत्रिम हत्केला लगाए।

जनमुक्ति सेनाको ४११ औं अस्पतालको स्टोमाटोलोजी स्पेशलिटी सेन्टरले हेमिम्याक्सिलरी रिसेक्शन बिरामीको लागि एनाटॉमीको अत्यधिक व्यक्तिगत सिमुलेशनको साथ मन्डिबुलर टाइटेनियम मिश्र धातु प्रत्यारोपणलाई EBM प्रविधिको सफलतापूर्वक प्रयोग गर्‍यो। अपरेशनको क्रममा, रोगग्रस्त मन्डिबलको रिसेक्शन र व्यक्तिगत कार्यात्मक मर्मत एकै पटकमा पूरा भयो, र दोषपूर्ण मन्डिबललाई व्यक्तिगत रूपमा मर्मत र पुनर्निर्माण गरियो। पोस्टअपरेटिभ प्रभाव सन्तोषजनक थियो। लेथौस बी र अन्य अनुसन्धानकर्ताहरूले मन्डिबुलर रिसेक्शन भएका २० बिरामीहरूमा हड्डी र माइक्रोभास्कुलर फ्ल्यापहरू पुनर्निर्माण गर्न थ्रीडी प्रिन्टिङ प्रविधि प्रयोग गरे, जसले अपरेशन समय छोटो बनायो र अपरेशनको गुणस्तर सुधार गर्‍यो, र पोस्टअपरेटिभ प्रभाव राम्रो थियो। हालका वर्षहरूमा, यस्तै समाचार र अनुसन्धानहरू अनन्त स्ट्रिममा देखा परेका छन्, जसले चिकित्सा क्षेत्रमा थ्रीडी प्रिन्टिङको राम्रो अनुप्रयोग सम्भावनाहरूलाई पूर्ण रूपमा प्रतिबिम्बित गर्दछ।

अर्थोपेडिक उत्पादनहरूको पक्षमा, थ्रीडी प्रिन्टेड सर्जिकल इम्प्लान्ट सामग्रीहरू पनि बिस्तारै व्यावसायीकरण र बजारीकरण तर्फ अघि बढिरहेका छन्। २००७ मा, इटालियन कम्पनी एडलर ओर्थो र लिमा-एलटीओ द्वारा विकसित कडा टिस्यु स्क्याफोल्डरहरू सहितको बायोप्रिन्टेड थ्रीडी प्रिन्टेड एसिटाबुलम कपहरूले सीई प्रमाणीकरण पारित गरे। एक्स्याकटेकको उत्पादन २०१० मा एफडीए द्वारा अनुमोदित भएको थियो। २००९ मा, अमेरिकी एएमटी कम्पनी द्वारा थ्रीडी प्रिन्टिङ प्रयोग गरेर उत्पादित अल-टाइटेनियम बडी फ्युजन उपकरणले पनि ईयू सीई प्रमाणीकरण पारित गर्यो। २०१३ मा, संयुक्त राज्य अमेरिकामा पहिलो बायोप्रिन्टेड स्कल इम्प्लान्ट उत्पादन एफडीए द्वारा अनुमोदित भएको थियो, जुन विश्वको पहिलो व्यक्तिगत थ्रीडी प्रिन्टेड पीईके स्कल इम्प्लान्ट फिगर पनि हो।

यस आधारमा, २०१४ मा, संयुक्त राज्य अमेरिकाको अक्सफोर्ड कम्पनीले थ्रीडी प्रिन्टिङ म्याक्सिलोफेसियल हड्डी उत्पादनहरू (५IOK मोड) को लागि FDA स्वीकृति प्राप्त गर्‍यो। यसको अतिरिक्त, सेप्टेम्बर २०१५ मा, थर्ड हस्पिटल अफ बेइजिङ मेडिसिन र बेइजिङ आइकाङ यिचेङ मेडिकल इक्विपमेन्ट कम्पनी लिमिटेडद्वारा विकसित थ्रीडी प्रिन्टेड मानव प्रत्यारोपण - कृत्रिम हिप जोइन्टलाई राज्य खाद्य तथा औषधि प्रशासनद्वारा दर्ता गरिएको रिपोर्ट गरिएको छ। थ्रीडी प्रिन्टेड हिप जोइन्ट "मास प्रोडक्सन चरण" मा प्रवेश गरेको छ, जसको अर्थ चीनको थ्रीडी प्रिन्टिङ इम्प्लान्टहरू पनि उत्पादन चरणमा प्रवेश गरिसकेका छन्।

चिकित्सा विज्ञान र प्रविधि नवप्रवर्तनमा थ्रीडी प्रिन्टिङ प्रविधिले बढ्दो रूपमा महत्त्वपूर्ण भूमिका देखाएको छ, र विभिन्न व्यक्तिगत इम्प्लान्ट प्रोस्थेसिस, प्रोस्थेटिक लिम्ब, डेन्टल इम्प्लान्ट र अन्य पक्षहरूको अनुसन्धान र प्रयोग पनि बढ्दो रूपमा व्यापक हुँदै गइरहेको छ। त्यसैले, यस नयाँ प्रक्रियाद्वारा तयार पारिएका इम्प्लान्टहरूको जैव सुरक्षा मूल्याङ्कनमा बढी ध्यान दिन आवश्यक छ।

थ्रीडी प्रिन्टिङ टाइटेनियमको जैविक सुरक्षामा अनुसन्धान

बायोमेडिकल सामग्रीको सुरक्षा मुख्यतया तन्तु र सामग्रीहरू बीचको अन्तरक्रियामा प्रतिबिम्बित हुन्छ। बायोमेडिकल धातु सामग्रीहरूले प्रत्यारोपित उपकरणहरूको मापदण्डहरू पूरा गर्नको लागि, मानव शरीरमा प्रत्यारोपणको कारणले हुने प्रतिक्रिया स्वीकार्य स्तरमा हुनु आवश्यक छ, र एकै समयमा, यसले सामग्रीको संरचना र गुणहरूमा गुणात्मक परिवर्तनहरू प्रेरित गर्न सक्दैन। मानव शरीर र मानव शरीर बीचको अन्तरक्रिया मुख्यतया यसको जैविक अनुकूलता र जैविक कार्यमा प्रतिबिम्बित हुन्छ।

त्यसकारण, मानव शरीरमा प्रत्यारोपण पछि, प्रत्यारोपणले मानव कोषहरू, रगत र अंगहरूमा एलर्जी, सूजन र रसायन विज्ञान, वा मानव विदेशी शरीरहरूको अस्वीकृति जस्ता प्रतिकूल प्रतिक्रियाहरू निम्त्याउनु हुँदैन। साथै, यो पनि आवश्यक छ कि लामो समयसम्म प्रत्यारोपण गर्न आवश्यक पर्ने प्रत्यारोपणहरूमा राम्रो स्थिर मेकानिकल गुणहरू हुनुपर्छ, अर्थात्, पर्याप्त शक्ति, उपयुक्त लोचदार मोड्युलस, उच्च स्थिरता, राम्रो जंग प्रतिरोध र टिकाउ स्थायित्व। अब टाइटेनियम मिश्र धातुको सर्जिकल प्रत्यारोपण क्लिनिकल अभ्यासमा व्यापक रूपमा प्रयोग गरिन्छ, र जैविक अनुकूलता अनुसन्धान पनि परिपक्व छ। त्यसकारण, थ्रीडी प्रिन्टिङसँग सम्बन्धित टाइटेनियम मिश्र धातु भागहरूको सुरक्षा मुख्यतया यसको बायोमेकानिकल प्रकार्यको सुरक्षामा केन्द्रित छ।

थ्रीडी प्रिन्टेड मेटल इम्प्लान्ट मेकानिकल गुण, जंग प्रतिरोध र जैविक अनुकूलताको हिसाबले परम्परागत प्रक्रियाको सामान्य इम्प्लान्ट उत्पादनहरूसँग तुलना गर्न सकिन्छ कि सकिँदैन र मिश्र धातु इम्प्लान्टको केही स्थिर मेकानिकल गुणहरूले क्लिनिकल अनुप्रयोग र राष्ट्रिय मापदण्डहरू पूरा गर्न सक्छन् कि सक्दैनन् भन्ने बारेमा अनुसन्धान अझै पनि प्रगतिमा छ। थ्रीडी प्रिन्टेड टाइटेनियम इम्प्लान्टहरूको आंशिक स्थिर मेकानिकल गुणहरूले क्लिनिकल आवश्यकताहरू पूरा गर्न सक्ने पत्ता लागेको छ। EBM प्रविधिद्वारा तयार पारिएका Ti6A14V नमूनाहरू प्रत्यक्ष तन्य परीक्षण र तातो आइसोस्टेटिक प्रेसिङ परीक्षणद्वारा परीक्षण गरिएको थियो। नतिजाहरूले TI6A14V नमूनाहरूको बल फोर्जिङ मानकभन्दा बढी भएको देखाएको छ।

SLM प्रविधिद्वारा तयार पारिएको Co-Cr-Mo मिश्र धातुको जंग प्रतिरोध परम्परागत प्रक्रियाद्वारा तयार पारिएको मिश्र धातु जस्तै छ, र सिमुलेटेड लार वातावरणमा आयन विघटनको मात्रा परम्परागत प्रक्रिया मिश्र धातुको तुलनामा कम 3D प्रिन्टिङ हो। DMLS प्रविधिद्वारा तयार पारिएको Ti6A14V उत्पादनमा EOS कम्पनीले उचित पोस्ट-प्रोसेसिङ मार्फत परम्परागत फोर्जिङ जस्तै स्थिर मेकानिकल गुणहरू र थकान प्रतिरोध भएको पत्ता लगाएको थियो। EBM द्वारा तयार पारिएको छिद्रपूर्ण टाइटेनियम मिश्र धातु कशेरुका फ्युजन उपकरण बाख्राको शरीरमा प्रत्यारोपण गरिएको थियो र भेडाको ग्रीवा फ्युजन मोडेलमा राम्रो परिणाम प्राप्त गरेको थियो। हड्डी-सामग्री इन्टरफेस PEEK फ्युजन उपकरण भन्दा राम्रो थियो।

चिकित्सकीय रूपमा, टाइटेनियम मिश्र धातुको इलास्टिक मोड्युलस र अन्य मेकानिकल गुणहरू मानव हड्डीको गुणहरूसँग मेल खाँदैनन्, जसले इम्प्लान्टको परिधीय हड्डीको तन्तुमा "तनाव संरक्षण" को घटना निम्त्याउँछ र ओस्टियोपोरोसिस निम्त्याउँछ, जसको परिणामस्वरूप हड्डी अवशोषण, ढिलो हुने र इम्प्लान्टको क्षति र विफलता हुन्छ। टाइटेनियम इम्प्लान्टको यो समस्या कम गर्न, छिद्रपूर्ण संरचना इम्प्लान्टहरू अनुसन्धानकर्ताहरूको आँखामा प्रवेश गरेका छन्। अब, अध्ययनहरूले देखाएको छ कि थ्रीडी प्रिन्टिङले इम्प्लान्टको माइक्रोस्ट्रक्चरलाई उच्च परिशुद्धताका साथ समायोजन गर्न सक्छ ताकि तिनीहरूको इलास्टिक मोड्युलस र मेकानिकल गुणहरू परिवर्तन गर्न सकियोस्, ताकि मानव हड्डीको तन्तुसँग मेल खाओस् र उपयुक्त शारीरिक भार सुनिश्चित गर्ने आधारमा बायोमेकानिकल कार्यहरूमा थप सुधार होस्।

Ti6AI4V शरीरको नियन्त्रित संरचना EBM फर्मिङ टेक्नोलोजीद्वारा निर्माण गरिएको थियो, र आन्तरिक शून्य संरचना स्क्यानिङ इलेक्ट्रोन माइक्रोस्कोपी अन्तर्गत सैद्धान्तिक डिजाइनसँग मिल्दोजुल्दो पाइयो, जसले 3D प्रिन्टेड उत्पादनहरूको संरचनामा EBM को सही नियन्त्रण प्राप्त गर्‍यो। मेकानिकल प्रदर्शन परीक्षण मार्फत, सम्बन्धित कम्प्रेसिभ शक्ति 163MPa छ र लोचदार मोडुलस 60.1% पोर पोरोसिटीमा 14MPa छ, जुन मानव हड्डीको नजिक छ। इन भिट्रो सेल कल्चरले पनि राम्रो सेल अनुकूलता देखाएको छ।

डिजाइन प्यारामिटरहरूको अनुकूलन मार्फत EBM प्रविधिद्वारा छिद्रपूर्ण मचानहरू तयार पारिएको थियो, र तिनीहरूको मेकानिकल गुणहरूको मूल्याङ्कन गरिएको थियो। डिजाइन गरिएका छिद्रपूर्ण सामग्रीहरूको बायोमेकानिक्सले चरण अनुकूलता र इम्प्लान्टेशन मिलानको सिमुलेशनमा उच्च डिग्रीको श्रेष्ठता पाएको पाइयो। हड्डीको वृद्धिमा छिद्र अनुपातको प्रभावको अनुसन्धान गर्न SLM द्वारा तयार पारिएको ३०० ग्राम, ६०० ग्राम र ९०० ~ tm भएका तीन प्रकारका छिद्रपूर्ण टाइटेनियमहरू खरायो टिबियामा प्रत्यारोपण गरिएको थियो। परिणामहरूले देखाए कि ६०० मिटर छिद्रपूर्ण संरचना भएको हड्डीको तन्तुको लम्बाइ र जैविक अनुकूलता राम्रो थियो।

हड्डीको वृद्धिको दृष्टिकोणबाट, समायोज्य पोरोसिटी र एपर्चर भएको स्क्याफोल्ड मानव शरीरमा पोषक तत्वहरूको प्रसारण र प्रसारणको लागि बढी अनुकूल हुनेछ, र हड्डीको वृद्धिको क्षमतालाई पनि बढावा दिन सक्छ, इम्प्लान्ट र हड्डीको ओछ्यानको संयोजन बढाउन सक्छ, र कृत्रिम अंगको सेवा जीवन विस्तार गर्न सक्छ, ताकि ठोस संरचना टाइटेनियम मिश्र धातु भन्दा राम्रो चिकित्सा प्रभावहरू प्राप्त गर्न सकियोस्। हालका वर्षहरूमा, बहु-प्वाल टाइटेनियम मिश्र धातु चरण-दर-चरण सबैभन्दा आदर्श क्लिनिकल नयाँ कडा तन्तु मर्मत र प्रतिस्थापन सामग्री मानिन्छ, र विभिन्न सूक्ष्म संरचनाहरू वा संरचनाहरू मार्फत 3D प्रिन्टेड टाइटेनियम मिश्र धातु प्रत्यारोपणहरूको प्रयोगले पनि नयाँ क्षेत्र खोलेको छ।