SKOLTECH科学家开发了3D打印个性化陶瓷骨植入物的新方法
时间：2020-11-20 08:03 来源：中国3D打印网 作者：中国3D打印网 阅读：次
该论文的合著者之一埃夫根尼·马尔察夫（Evgenii Maltsev）表示：“微观结构的功能表示（FRep）建模具有很多优势。FRep始终保证所生成的模型是正确的，这与CAD系统中传统的多边形表示相反，在传统的多边形表示中，模型可能会出现裂纹或面不相交。”
这些团队的植入物具有多孔结构，可以根据个人患者的需要进行调整。图片来自Skoltech，Pavel Odinev。
利用陶瓷的潜力
陶瓷具有许多特性，例如耐磨性和化学稳定性，使其成为从工具到牙科产品的3D打印的理想选择。尽管如此，尽管在植入应用中也已经采用了增材制造技术，但在该领域使用陶瓷的频率却较低，通常使用富含细胞的聚合物和合金。例如，荷兰代尔夫特理工大学的研究人员已经开发出了基于镁的可再生支架，而柏林Charité-Universitätsmedizin的一项研究发现，钛是最佳的材料基础。在其他地方，长崎大学和佐贺大学的日本科学家创造了一种完全没有生物支架的3D管状气管结构，据中国3D打印网了解，Skoltech科学家发现孔隙率对手术后细胞的增殖至关重要，并将“最佳孔径”缩小到390至590 µm。使用现有的原料很难达到这样的精度，因为它们的低孔隙度会阻碍组织，血管和其他营养通道的生长。
目前，使用发泡和烧尽添加剂来克服这些限制，但该团队认为3D打印将提供一个更好的平台来创建大孔结构。考虑到增材制造可以生产出具有可控孔隙率的零件，该技术具有打印具有定制结构的可定制植入物的潜力。
研究团队使用SLA机器对陶瓷植入物进行3D打印（如图所示），然后进行脱脂和烧结步骤。图片来自《应用科学》杂志。
团队的FRep优化3D打印方法
为了开发允许用户快速个性化每个骨移植物的植入物制造方法，科学家采用了FRep建模方法。从本质上讲，FRep采用了更加隐式的建模方法，该方法允许它复制具有多孔，多孔和不规则微结构的复杂形状。与基于CAD的模型相比，该团队发现FRep产生了准确无误的设计，并且适应性更强。为了测试他们的模型在最终使用条件下的性能，科学家使用了SLA打印机来固化由多组分粘合剂和陶瓷粉末组成的糊剂。
印刷后，将“绿色”零件在熔炉中加热以去除塑料粘合剂，并使用SLS系统将其烧结成具有预定特性的最终形状。然后，团队使用SEM显微镜和各种机械应力测试对所得的圆柱形试样进行评估。在轴向压缩下，3D打印的植入物显示出400 MPa的强度，而SEM图像显示的孔径范围为440至700 µm（在团队的公差范围内）。尽管尺寸为4（D）x 9.5mm（W）的样品证明是自支撑的，但在早期设计过程中确实需要少量的材料增强。
考虑到他们的植入物显示出与小梁骨相同水平的抗压强度，科学家认为他们的方法是成功的。该小组打算在将来优化他们的打印方法，并且出于这个目的，已经将其中的十个原型发送到了动物测试机构。
陶瓷添加剂应用的增长
不仅在医疗行业，而且在电子和牙科领域，越来越多地将陶瓷用于具有增强性能的3D打印部件。材料喷射专家XJet与牙科公司Straumann合作，以提高其机器制造牙科产品的能力。通过使用XJet系统和陶瓷原料，Straumann的目标是减少花费在时间密集型后处理任务上的时间。
法国陶瓷技术转让中心已将nScrypt的工厂之一安装在工具（FiT）机器中，作为3D打印电子产品的一种手段。利用他们的新系统，该团队现在能够在各种基板上保形地3D打印精细导线。
在其他地方，德国陶瓷增材制造公司StoneFlower3D开发了一种新的打印头，用于在3D打印过程中处理粘土，混凝土和浆料。该设备旨在为台式机用户提供一种更容易获得的陶瓷产品制造方法。
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