3D打印多孔鎂腳手架顯示出作為骨替代材料的潛力

魔猴君  行業資訊   1530天前

荷蘭代爾夫特理工大學的研究人員發現3D打印的可生物降解的鎂支架在關鍵尺寸骨缺損的再生中可能具有廣闊的應用前景。盡管這種方法并非沒有局限性，但研究人員認為，所使用的溶劑澆鑄3D打?。⊿C-3DP）方法在制造鎂基多孔支架方面具有“前所未有的可能性”。“鎂基材料被認為是整形外科領域中一種有希望的新型生物材料，因為它可以在體內逐漸降解，同時刺激骨骼再生，并有助于骨骼缺陷的愈合?！贝鸂柗蛱卮髮W生物力學系的Zadpoor，也是參與這項研究的研究人員之一。 “因此，制造多孔鎂植入物引起了越來越多的興趣?！?/span>

從鎂支架的印刷試驗獲得的結果。通過溶劑噴涂3D打印鎂支架/ Acta Biomaterialia的圖像

骨科生物材料

少數大學研究小組最近開始使用增材制造制造鎂基材料，其中選擇性激光熔化（SLM）是常用的方法之一。但是，由于鎂的高易燃性以及最終生產零件中的不良成分變化，操作安全性受到挑戰，因此使用這種方法的成功受到很大限制。

最近，已經進行了一些嘗試來開發粉末床噴墨3D打印和熔絲制造（FFF）技術，然后進行燒結步驟，以替代SLM。然而，尚未報道利用這些技術來制造拓撲有序的多孔Mg支架。Zadpoor解釋說：“由于鎂粉在高激光能量下具有高度可燃性，因此操作安全是制造鎂支架時遇到的主要挑戰。使用更高的激光功率還會增加鎂蒸發的機會，并在SLM過程中產生明顯的熱梯度，從而使制造過程變得昂貴?！?/span>

瑞士蘇黎世聯邦理工學院的材料研究人員采用另一種方法，開發了一種基于增材制造的程序，使用3D打印的鹽模板制作具有規則孔隙率的鎂支架。盡管這項工作只是宣布時的概念證明，但參與研究的研究人員認為，這些鎂支架具有制造可生物吸收的骨植入物的潛力。

ETH研究人員打印的鹽結構（中心）3D模板。圖片來自蘇黎世聯邦理工學院。

除了基于鎂的研究之外，還有3D打印支架的其他一些實際應用。去年，來自英國動物健康基金會（AHT）和東英吉利大學（UEA）的科學家使用了3D打印的BendLay聚碳酸酯長絲支架來支持馬的骨骼再生。這些3D打印支架用于成功進行體外成骨細胞，證明了通過稱為細胞接種的過程生成3D骨構建體的可行性。

最近，德克薩斯A＆M大學生物醫學工程系的科學家通過對新生物材料的開發進行研究，在3D生物打印功能組織領域取得了進展。該領域的早期跡象表明，增材制造可用于治療諸如關節炎，骨折，牙齒感染和顱面缺陷之類的缺陷和病癥。

萊斯大學和馬里蘭大學（UMD）在這一特定領域取得了其他進步，科學家們概述了3D打印人造骨組織的新概念驗證，以幫助修復與關節炎和運動事故有關的損傷?！?3D打印有可能在將來部分取代傳統制造，特別是在定制的或針對特定患者的植入物和復雜的多孔制造中，代爾夫特生物力學部門的周杰補充說，這是參與Solvent-Cast研究的一位研究人員鎂支架的3D打印研究。 “ 3D打印為臨床治療策略提供了更多可能性，并且在節省原始材料和縮短交貨時間方面將有助于顯著降低制造成本?！?/span>

Akhilesh Gaharwar博士和他的跨學科團隊正在尋找新的方法來設計和生產3D生物打印的骨骼組織，以促進骨骼再生。圖片來自德州A＆M工程公司。

SC-3DP研究

在研究過程中，研究人員提出了一種基于室溫擠壓的增材制造方法，即SC-3DP，以制造拓撲有序的多孔鎂支架，該步驟由三個步驟組成。第一步涉及制備具有所需流變特性的負載鎂粉的墨水，這是指材料響應于施加的應力而變形或流動的方式。然后將油墨與由聚合物或揮發性溶劑組成的粘合劑體系一起通過噴嘴擠出，并印刷到具有0°/ 90°/ 0°層的支架中。最后，進行脫脂和燒結過程，以通過應用液相燒結策略去除油墨中的粘合劑并結合鎂粉顆粒。

鎂支架的制造步驟和設計結構示意圖。鎂支架/ Acta Biomaterialia的溶劑澆鑄3D打印圖像。

對制備的油墨進行了流變學分析，分別以54％，58％和62％的體積填充鎂粉，以揭示支架的粘彈性。粘彈性是指材料在變形時既顯示粘性又顯示彈性的特性。還進行了支架的熱重分析（TGA），傅立葉變換紅外光譜（FTIR），碳和硫分析以及掃描電子顯微鏡（SEM），這表明脫脂和燒結的步驟很可能是一個步驟。最終產物支架具有高孔隙率，包含分層且相互連接的孔。根據研究人員的說法，這項研究首次證明了SC-3DP技術可以成功地制造出鎂基多孔支架材料，并有可能被用作骨替代材料。

點評：在現代醫學中，臨界大小的骨缺損的再生仍然是臨床上的挑戰，通常需要植骨材料。以前，科學家已經使用生物惰性鈦和PEKK等傳統材料進行3D打印植入物。然而，這些金屬通常需要第二次手術以去除植入物。另外，為這些應用而設計的可用移植物和許多現有的合成生物材料不能滿足所有的臨床要求，這意味著需要開發新一代合適的骨替代物。

近年來，基于鎂的生物可降解金屬被認為在此類骨科應用中很有前途，因為可以對其進行更改，使其具有骨骼缺損再生所需的機械和生物學方面。與制造多孔鎂支架的傳統技術相比，增材制造的進步提供了更大程度的設計，制造靈活性和效率，因此可以生產具有精確控制的拓撲參數的完全互連的多孔結構。

特別是，SC-3DP方法具有巨大的潛力，可以克服目前用于制造多孔鎂支架的其他AM技術的材料，技術和結構限制。根據研究結果，SC-3DP具有多種優勢，例如在環境條件下進行3D打印，易于調整墨水成分，設備投資低以及具有制造具有分層孔和所需合金成分的復雜結構的潛力。SC-3DP方法也已證明在鋼，鐵，鈦基和鎳基微桁架的增材制造中是可行的。

所制成樣品的宏觀照片：（a）3D打印樣品，（b）在650°C下燒結5分鐘的樣品，

以及（c）從μCT圖像重建的燒結樣品。鎂支架的溶劑澆鑄3D打印/ Acta Biomaterialia。

該領域的未來研究

本質上，從這項研究中獲得的結果提供了一種制造適合骨科應用的可生物降解的鎂支架的新方法。 Zadpoor表示，盡管如此，在這一領域仍需進一步研究。他總結說：“我們將繼續進行進一步研究，以研究添加劑制造的人造鎂支架的性能。下一步，需要根據生物力學穩定性，生物降解能力和成骨能力評估鎂支架的體外和體內性能?！?/span>

來源：https://www.3ddayin.net/xinwenpindao/shendujiedu/39627.html