Natuklasan ng Bagong Pag-aaral na Napakabisa ng mga Titanium Medical Implants
Proseso ng 3D na pag-print ng titanium
Kung ikukumpara sa tradisyunal na proseso, ang mga bentahe ng teknolohiya sa pag-print ng 3D sa paggawa ng mga personalized na surgical implant figure ay pangunahing makikita sa: Ang 3D printing free forming na mga katangian ay maaaring mabilis at tumpak na i-customize ang panloob na implant, maaaring madaig ang tradisyonal na unibersal na implant figure na hugis ay hindi tugma sa katawan ng tao at ang mga mekanikal na katangian nito ay hindi umabot sa mga karaniwang problema; Sa paggawa ng mga kumplikadong istruktura at mahirap iproseso na mga produkto, ang mga personalized na micro-structure, lalo na ang porous sa pamamagitan ng mga istruktura, ay hindi lamang makakatugon sa mga partikular na pisikal at kemikal na katangian, ngunit mapahusay din ang biohistocompatibility.
Ang serye ng mga pakinabang na ito ay maaaring epektibong madaig ang mga karaniwang problema ng stress shielding at mababang biological na aktibidad ng mga implant. Sa kasalukuyan, ang pinakakaraniwang ginagamit at malawakang ginagamit na 3D printing titanium alloys ay ang SLM technology at EBM technology.
Gumagamit ang Selective Laser Melting (SLM) ng laser bilang pinagmumulan ng init upang piliing i-irradiate ang mga pre-laid na materyales sa pulbos upang makamit ang mabilis na pagkatunaw ng pagbubuo. Ang pangunahing prinsipyo ng pagtatrabaho ay na sa ilalim ng inert gas protection environment, kinokontrol ng instrumento at kagamitan ang laser beam ayon sa filling scanning path na nabuo ng system design mode upang piliin at matunaw ang bawat layer ng powder.
Pagkatapos ang platform ay inilipat pababa, ang pulbos ay inilatag muli at ang sintering ay paulit-ulit hanggang sa mabuo ang buong hugis. Pinipigilan ng inert gas protection ang metal na tumugon sa iba pang mga gas sa mataas na temperatura. SLM teknolohiya ay napaka-malawak na hanay ng bumubuo ng mga materyales, materyal sa pag-save at recyclable, hindi na kailangan upang magdisenyo at maghanda kumplikadong sistema ng suporta, ito serye ng mga pakinabang na gumawa ng SLM teknolohiya ay mas at mas malawak na ginagamit.
Gayunpaman, ang SLM ay mayroon ding ilang mga disbentaha: dahil sa limitadong laser power at pag-scan ng galvanometer deflection Angle, ang laki ng hanay ng mga bahagi na inihanda ng SLM ay magiging limitado; Ang mga high-power laser at mataas na kalidad na optical equipment ay mahal sa paggawa, na nagpapataas ng pang-ekonomiyang pasanin sa ilang mga lawak. Dahil sa paggamit ng mga materyales sa pulbos sa teknolohiya ng SLM, ang kalidad ng ibabaw ng mga molded na bahagi ay maaaring may problema, na nangangailangan ng pangalawang pagproseso ng produkto na gagamitin para sa kasunod na trabaho; Ang mga depekto sa spheroidization at warping ay maaari ding mangyari sa proseso ng pagpoproseso, na nangangailangan ng karagdagang hakbang upang mahigpit na ma-optimize ang proseso ng pagtunaw ng electron beam, ang EBM ay isang proseso na gumagamit ng electron beam bilang pinagmumulan ng init upang matunaw ang metal powder layer sa pamamagitan ng layer sa vacuum na kapaligiran para sa additive manufacturing.
Ang prinsipyo ng pagtatrabaho nito ay: pre-coated powder, high-energy electron beam deflection pagkatapos tumuon upang makagawa ng mataas na enerhiya sa lokal na maliit na lugar upang i-scan ang powder layer upang makabuo ng mataas na temperatura at kahit na matunaw, sa pamamagitan ng electron beam na tuloy-tuloy na pag-scan upang makabuo ng enerhiya sa pagitan ng melt pool fusion at solidification, na konektado sa isang linear at planar na layer ng metal.
Matapos tapusin ang kasalukuyang layer, ulitin ang operasyon ng paglalagay ng pulbos upang mabuo. Sa proseso ng produksyon, pinagtibay ng EBM ang tunay na kapaligiran ng pagtunaw ng hangin upang matiyak ang mataas na lakas ng materyal at maiwasan ang oksihenasyon ng haluang metal. Kung ikukumpara sa SLM, ang mga pangunahing bentahe ng EBM ay: ang mahusay na henerasyon ng electron beam power ay kumokonsumo ng mas kaunting kapangyarihan, ang bilis ng produksyon ay mataas, upang ang aktwal na kabuuang kapangyarihan ng buong makina ay mataas; Ang pagpapalihis ng electron beam ay hindi kailangang ilipat ang bahagi ng kagamitan, na higit na nagpapabuti sa bilis ng pag-scan. Tinitiyak ng magandang thermal environment ang katatagan ng hugis ng mga 3D na naka-print na bahagi, tinitiyak ang mga static na mekanikal na katangian nito, nakakatugon sa mga biological na kinakailangan, at ang metal powder ay maaari ding i-recycle.
Ang katayuan at pag-unlad ng 3D printed surgical implants
Ang mga surgical implant at orthotics na may 3D printing ay may magandang pag-asam ng aplikasyon sa larangan ng osteology. Ngayon ay dumami naMga 3D na naka-print na materyales sa implantgaya ng hearing AIDS, prosthetic limbs, personalized na orthopaedic surgery guides, artificial joints, artificial outer ears, personalized dental implants at iba pang mga application sa clinical personalized na paggamot. Ayon sa mga ulat, noong 2014, matagumpay na naitanim ng mga mananaliksik sa Peking University ang isang 12-taong-gulang na batang lalaki na may personalized na 3D na naka-print na artipisyal na gulugod na may mga micro-hole, na siyang unang kaso sa mundo. Sa parehong taon, nilagyan ng mga doktor at siyentipiko ang isang 5-taong-gulang na batang babae sa Scotland ng isang 3D na naka-print na prosthetic na palad.
Matagumpay na nagamit ng Stomatology Specialty Center ng 411th Hospital ng People's Liberation Army ang teknolohiya ng EBM para i-customize at itanim ang isang mandibular titanium alloy implant na may napaka-personalized na simulation ng anatomy para sa isang hemimaxillary resection na pasyente. Sa panahon ng operasyon, ang pagputol ng may sakit na mandible at indibidwal na functional repair ay nakumpleto sa isang pagkakataon, at ang may sira na mandible ay indibidwal na inayos at muling itinayo. Ang postoperative effect ay kasiya-siya. Gumamit si Lethaus B at iba pang mga mananaliksik ng teknolohiya sa pag-print ng 3D upang muling buuin ang mga buto at microvascular flaps sa 20 pasyente na may mandibular resection, na nagpaikli sa oras ng operasyon at nagpabuti ng kalidad ng operasyon, at ang postoperative effect ay mabuti. Sa mga nakalipas na taon, ang mga katulad na balita at pananaliksik ay lumitaw sa isang walang katapusang stream, na ganap na sumasalamin sa magandang mga prospect ng aplikasyon ng 3D printing sa larangan ng medikal.
Sa panig ng mga produktong orthopaedic, unti-unti ding umuusad ang 3D printed surgical implant materials tungo sa komersyalisasyon at marketization. Noong 2007, ang mga bioprinted na 3D na naka-print na acetabulum cup na may mga hard tissue scaffolder na binuo ng kumpanyang Italyano na Adler Ortho at LIma-LTO ay pumasa sa CE certification. Ang produkto ng Exactech ay inaprubahan ng FDA noong 2010. Noong 2009, ang all-titanium body fusion device na ginawa ng American AMT company gamit ang 3D printing ay pumasa din sa EU CE certification. Noong 2013, ang unang bioprinted skull implant na produkto sa United States ay inaprubahan ng FDA, na siya ring unang naka-personalize na 3D printed PEEK skull implant figure sa mundo.
Sa batayan na ito, noong 2014, nakatanggap ang United States Oxford Company ng pag-apruba ng FDA para sa 3D printing maxillofacial bone products (5IOK mode). Bilang karagdagan, iniulat na noong Setyembre 2015, ang 3D printed human implant - artificial hip joint na binuo ng Third Hospital of Beijing Medicine at Beijing Aikang Yicheng Medical Equipment Co., LTD., ay nairehistro ng State Food and Drug Administration. Ang 3D printed hip joint ay pumasok na sa "mass production stage", na nangangahulugan na ang 3D printing implants ng China ay pumasok na rin sa yugto ng produksyon.
Ang 3D printing technology ay nagpakita ng lalong mahalagang papel sa medikal na agham at makabagong teknolohiya, at ang pagsasaliksik at aplikasyon ng iba't ibang personalized na implant prostheses, prosthetic limbs, dental implants at iba pang aspeto ay mas malawak din. Kaya, ang pagsusuri ng biosafety ng mga implant na inihanda ng bagong prosesong ito ay nangangailangan ng higit na pansin.
Pananaliksik sa biosafety ng 3D printing titanium
Ang kaligtasan ng mga biomedical na materyales ay pangunahing makikita sa pakikipag-ugnayan sa pagitan ng mga tisyu at mga materyales. Upang matugunan ng mga biomedical na materyales ng metal ang mga pamantayan ng mga implanted na aparato, dapat na kinakailangan na ang reaksyon na dulot ng pagtatanim sa katawan ng tao ay nasa isang katanggap-tanggap na antas, at sa parehong oras, hindi ito maaaring magbuod ng mga pagbabago sa husay sa istraktura at mga katangian ng materyal. Ang pakikipag-ugnayan sa pagitan ng katawan ng tao at katawan ng tao ay pangunahing makikita sa biocompatibility at biological function nito.
Samakatuwid, pagkatapos ng pagtatanim sa katawan ng tao, ang implant ay hindi dapat magdulot ng masamang reaksyon tulad ng allergy, pamamaga at kimika sa mga selula ng tao, dugo at mga organo, o ang pagtanggi sa mga dayuhang katawan ng tao. Kasabay nito, kinakailangan din na ang mga implant na kailangang itanim sa mahabang panahon ay dapat magkaroon ng magandang static na mekanikal na mga katangian, iyon ay, sapat na lakas, naaangkop na elastic modulus, mataas na katatagan, mahusay na paglaban sa kaagnasan at matibay na tibay. Ngayon ang surgical implantation ng titanium alloy ay malawakang ginagamit sa klinikal na kasanayan, at ang biocompatibility na pananaliksik ay mature na rin. Samakatuwid, ang kaligtasan ng mga bahagi ng titanium alloy na nauugnay sa 3D printing ay pangunahing nakatuon sa kaligtasan ng biomechanical function nito.
Ang pananaliksik kung ang 3D na naka-print na metal implant ay maihahambing sa mga pangkalahatang produkto ng implant ng tradisyonal na proseso sa mga tuntunin ng mga mekanikal na katangian, paglaban sa kaagnasan at biocompatibility, at kung ang ilan sa mga static na mekanikal na katangian ng implant ng haluang metal ay maaaring matugunan ang klinikal na aplikasyon at ang mga pambansang pamantayan ay isinasagawa pa rin. Napag-alaman na ang bahagyang static na mekanikal na katangian ng 3D printed titanium implants ay maaaring matugunan ang mga klinikal na pangangailangan. Ang mga sample ng Ti6A14V na inihanda ng EBM technique ay sinubok ng direktang tensile test at hot isostatic pressing test. Ang mga resulta ay nagpakita na ang lakas ng mga sample ng TI6A14V ay lumampas sa pamantayan ng forging.
Ang corrosion resistance ng Co-Cr-Mo alloy na inihanda ng teknolohiya ng SLM ay katulad ng sa haluang metal na inihanda ng tradisyonal na proseso, at ang dami ng ion dissolution sa simulate salivary environment ay mas mababa sa 3D printing kaysa sa tradisyonal na process alloy. Ang produktong Ti6A14V na inihanda ng DMLS na teknolohiya ay natagpuan ng kumpanya ng EOS na may parehong mga static na mekanikal na katangian at paglaban sa pagkapagod gaya ng tradisyonal na forging sa pamamagitan ng makatwirang post-processing. Ang porous titanium alloy vertebrae fusion device na inihanda ng EBM ay itinanim sa katawan ng kambing at nakamit ang magagandang resulta sa cervical fusion model ng tupa. Ang interface ng bone-material ay mas mahusay kaysa sa PEEK fusion device.
Sa clinically, ang elastic modulus at iba pang mekanikal na katangian ng titanium alloy ay hindi tumutugma sa mga katangian ng buto ng tao, na hahantong sa hindi pangkaraniwang bagay ng "stress shielding" sa peripheral bone tissue ng implant at maging sanhi ng osteoporosis, na nagreresulta sa bone absorption, loosening at pagkawala ng implant at pagkabigo. Upang mabawasan ang problemang ito sa mga implant ng titanium, ang mga porous na structure implants ay pumasok sa mga mata ng mga mananaliksik. Ngayon, ipinakita ng mga pag-aaral na ang pag-print ng 3D ay maaaring ayusin ang microstructure ng mga implant na may mataas na katumpakan upang baguhin ang kanilang nababanat na modulus at mekanikal na mga katangian, upang tumugma sa tissue ng buto ng tao at higit pang mapabuti ang mga biomechanical na pag-andar batay sa pagtiyak ng naaangkop na physiological load.
Ang kinokontrol na istraktura ng katawan ng Ti6AI4V ay ginawa ng EBM forming technology, at ang panloob na void na istraktura ay natagpuan na pare-pareho sa teoretikal na disenyo sa ilalim ng pag-scan ng electron microscopy, na nakamit ang tumpak na kontrol ng EBM sa istraktura ng mga 3D na naka-print na produkto. Sa pamamagitan ng mechanical performance test, ang katumbas na compressive strength ay 163MPa at ang elastic modulus ay 14MPa sa 60.1% pore porosity, na malapit sa buto ng tao. Ang in vitro cell culture ay nagpakita rin ng magandang cell compatibility.
Ang mga porous scaffold ay inihanda ng teknolohiya ng EBM sa pamamagitan ng pag-optimize ng mga parameter ng disenyo, at nasuri ang kanilang mga mekanikal na katangian. Napag-alaman na ang biomechanics ng mga dinisenyong porous na materyales ay may mataas na antas ng higit na kahusayan sa simulation ng phase compatibility at implantation matching. Tatlong uri ng porous titanium na may 300gm, 600gm at 900~tm na inihanda ng SLM ay itinanim sa rabbit tibia upang siyasatin ang epekto ng pore ratio sa paglaki ng buto. Ang mga resulta ay nagpakita na ang bone tissue na may 600~m porous na istraktura ay may mas mahusay na haba at biocompatibility.
Mula sa punto ng view ng paglago ng buto, ang isang scaffold na may adjustable porosity at aperture ay magiging mas kaaya-aya sa paghahatid at paghahatid ng mga nutrients sa katawan ng tao, at maaari ring i-promote ang kakayahan ng paglaki ng buto, dagdagan ang kumbinasyon ng mga implants at bone bed, at pahabain ang buhay ng serbisyo ng prosthesis, upang makakuha ng mas mahusay na mga medikal na epekto kaysa sa solid structure na titanium alloy. Sa mga nakalipas na taon, ang multi-hole titanium alloy na hakbang-hakbang ay itinuturing na pinaka-perpektong klinikal na bagong hard tissue repair at replacement materials, at ang paggamit ng 3D printed titanium alloy implants na may iba't ibang mikroskopikong istruktura o sa pamamagitan ng mga istruktura ay nagbukas din ng bagong larangan.