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3D打印的可生物降解鎂支架,在骨缺損再生或?qū)⒂泻芎玫膽?yīng)用

如意 ? 來源:OFweek電子工程網(wǎng) ? 作者:南極熊3d打印 ? 2020-09-15 17:35 ? 次閱讀

2020年9月14日,南極熊獲悉,荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn),3D打印的可生物降解鎂支架,在骨缺損再生中可能會(huì)有很好的應(yīng)用。

研究人員認(rèn)為,所使用的溶劑澆鑄3D打?。⊿C-3DP)方法,對(duì)于鎂基多孔支架的制造具有 "前所未有的可能性"。

本研究的參與者,代爾夫特生物力學(xué)系的Amir Zadpoor教授說:"鎂基材料一直被認(rèn)為是一類新的有前景的生物材料,在骨科應(yīng)用中,它可以在體內(nèi)逐漸降解,同時(shí),刺激骨再生,幫助骨缺損的愈合過程,因此,制造多孔鎂植入物正引起越來越多的關(guān)注。"

△鎂支架的打印試驗(yàn)結(jié)果,圖片來源于《Solvent-cast 3D printing of magnesium scaffolds》/Acta Biomaterialia

生物材料在骨科中的應(yīng)用

最近,有些大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)開始使用3D打印技術(shù)制造鎂基材料,選擇性激光熔化(SLM)是常用的方法之一。然而,使用這種技術(shù)的成功率不高,因?yàn)殒V具有高可燃性,而且最終生產(chǎn)的部件中會(huì)有不理想的成分變化,會(huì)帶來操作安全方面的挑戰(zhàn)。

當(dāng)然,也有一些其他的嘗試,比如使用粉末床噴墨3D打印和熔融堆積制造(FFF)技術(shù),然后再進(jìn)行脫脂燒結(jié),以替代SLM技術(shù)。然而,利用這些技術(shù)來制造拓?fù)溆行虻亩嗫譓g支架還沒有被報(bào)道。

Zadpoor表示:"由于鎂粉在高激光能量下的高可燃性,安全性是鎂支架制造過程中遇到的首要挑戰(zhàn)。"

瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員,開發(fā)了一種基于增材制造的方法,利用3D打印的鹽模板,制造出具有規(guī)則孔隙度的鎂支架。雖然這項(xiàng)工作在公布時(shí)只是一個(gè)概念驗(yàn)證,但研究人員認(rèn)為這些鎂支架有可能創(chuàng)造出可生物吸收的骨植入物。

SC-3DP研究

代爾夫特理工大學(xué)研究人員,提出了一種基于室溫?cái)D出的增材制造方法,即SC-3DP,以制造拓?fù)溆行虻亩嗫祖V支架,制造過程由三個(gè)步驟組成:

第一階段:制備具有所需流變特性的鎂粉負(fù)載油墨,流變特性是指材料在施加的應(yīng)力下變形或流動(dòng)的方式。

第二階段:墨水與由聚合物或揮發(fā)性溶劑組成的粘結(jié)劑混合在一起,通過噴嘴擠出,并打印成0°/90°/0°層的支架。

第三階段:去除油墨中的粘結(jié)劑,通過液相燒結(jié)策略進(jìn)行脫膠和燒結(jié)。

3D打印的可生物降解鎂支架,在骨缺損再生或?qū)⒂泻芎玫膽?yīng)用

△鎂支架的制造步驟和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

對(duì)制備的油墨進(jìn)行流變分析,鎂粉負(fù)載量分別為54%、58%和62%,揭示了支架的粘彈性特性。粘彈性是指材料在發(fā)生變形時(shí),同時(shí)表現(xiàn)出粘性和彈性的特性。

支架的熱重分析(TGA)、傅里葉變換紅外光譜(FTIR)、碳硫分析和掃描電子顯微鏡(SEM)也進(jìn)行了分析,表明脫膠和燒結(jié)可能在一個(gè)步驟中完成。

最終支架具有較高的孔隙率,含有層次分明且相互連接的孔隙。研究人員首次證明SC-3DP技術(shù)可成功制造鎂基多孔支架,并具有作為骨替代材料的潛力。

研究結(jié)果的意義

骨缺損的再生一直是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的臨床難題,通常需要骨移植材料。此前,科學(xué)家們已經(jīng)使用生物惰性鈦和PEKK等材料3D打印植入物。然而,這些金屬往往需要第二次手術(shù)進(jìn)行植入物取出。此外,現(xiàn)有的移植物和合成生物材料并不能滿足所有的臨床要求,需要開發(fā)新一代合適的骨替代品。

近年來,鎂基生物降解金屬被認(rèn)為是這類骨科應(yīng)用的希望,它們同時(shí)具備骨缺損再生所需的機(jī)械和生物特性。此外,增材制造技術(shù)為制造多孔鎂支架提供了更大的設(shè)計(jì)、制造靈活性和效率。

特別是SC-3DP方法,與其他3D打印技術(shù)相比,在材料、技術(shù)和結(jié)構(gòu)上具有很大的優(yōu)勢(shì)。包括:在常溫條件下進(jìn)行3D打印,墨水的組分易于調(diào)整,設(shè)備投資低,并有可能制造出具有層次孔隙和所需合金成分的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

SC-3DP方法在鋼、鐵、鈦基和鎳基微桁架的增材制造中也是可行的。

3D打印的可生物降解鎂支架,在骨缺損再生或?qū)⒂泻芎玫膽?yīng)用

△(a)3D打印的樣品,(b)在650℃下燒結(jié)5分鐘的樣品,(c)從μCT圖像重建的燒結(jié)樣品

更多的研究細(xì)節(jié)可參見發(fā)表在《Acta Biomaterialia》雜志上的題為 "Solvent-cast 3D printing of magnesium scaffolds "的文章。該文章由J. Dong、Y. Li、P. Lin、M.A. Leeflang、S. van Asperen、K. Yu、N. Tümer、B. Norder、A.A. Zadpoor和J. Zhou共同撰寫。
責(zé)編AJX

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