Skolovo科學(xué)(xué)技術(shù)(shù)學(xué)(xué)院（Skoltech）的科學(xué)(xué)家們開(kāi)發(fā)(fā)了一種3D打印個(gè)性化陶瓷骨植入物的新穎方法。在他們的研究中，該團(tuán)隊采用了基于仿真的方法來(lái)創(chuàng )(chuàng)建靈活，無(wú)缺陷的3D模型，這將為其添加植入物提供基礎(chǔ)。研究人員對這些設(shè)計進(jìn)(jìn)行了優(yōu)(yōu)化，可以根據(jù)特定患者的需要對其進(jìn)(jìn)行定制，并使它們更容易與有機(jī)組織融合。

該論文的合著(zhù)者之一埃夫根尼·馬爾察夫（Evgenii Maltsev）表示：“微觀(guān)結(jié)構(gòu)的功能表示（FRep）建模具有很多優(yōu)(yōu)勢。FRep始終保證所生成的模型是正確的，這與CAD系統(tǒng)中傳統(tǒng)的多邊形表示相反，在傳統(tǒng)的多邊形表示中，模型可能會(huì )出現(xiàn)裂紋或面不相交?！?/span>

這些團(tuán)隊的植入物具有多孔結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)個(gè)人患者的需要進(jìn)(jìn)行調(diào)整。圖片來(lái)自Skoltech，Pavel Odinev。

利用陶瓷的潛力

陶瓷具有許多特性，例如耐磨性和化學(xué)(xué)穩(wěn)定性，使其成為從工具到牙科產(chǎn)(chǎn)品的3D打印的理想選擇。盡管如此，盡管在植入應(yīng)用中也已經(jīng)(jīng)采用了增材制造技術(shù)(shù)，但在該領(lǐng)(lǐng)域使用陶瓷的頻率卻較低，通常使用富含細(xì)胞的聚合物和合金。例如，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)(xué)的研究人員已經(jīng)(jīng)開(kāi)發(fā)(fā)出了基于鎂的可再生支架，而柏林Charité-Universit?tsmedizin的一項研究發(fā)(fā)現(xiàn)，鈦是最佳的材料基礎(chǔ)。在其他地方，長(cháng)崎大學(xué)(xué)和佐賀大學(xué)(xué)的日本科學(xué)(xué)家創(chuàng )(chuàng)造了一種完全沒(méi)有生物支架的3D管狀氣管結(jié)構(gòu)，據(jù)中國3D打印網(wǎng)(wǎng)了解，Skoltech科學(xué)(xué)家發(fā)(fā)現(xiàn)孔隙率對手術(shù)(shù)后細(xì)胞的增殖至關(guān)(guān)重要，并將“最佳孔徑”縮小到390至590 μm。使用現(xiàn)有的原料很難達(dá)到這樣的精度，因為它們的低孔隙度會(huì )阻礙組織，血管和其他營(yíng)養(yǎng)通道的生長(cháng)。

目前，使用發(fā)(fā)泡和燒盡添加劑來(lái)克服這些限制，但該團(tuán)隊認(rèn)為3D打印將提供一個(gè)更好的平臺來(lái)創(chuàng )(chuàng)建大孔結(jié)構(gòu)?？紤]到增材制造可以生產(chǎn)(chǎn)出具有可控孔隙率的零件，該技術(shù)(shù)具有打印具有定制結(jié)構(gòu)的可定制植入物的潛力。

研究團(tuán)隊使用SLA機(jī)器對陶瓷植入物進(jìn)(jìn)行3D打?。ㄈ鐖D所示），然后進(jìn)(jìn)行脫脂和燒結(jié)步驟。

圖片來(lái)自《應(yīng)用科學(xué)(xué)》雜志。

團(tuán)隊的FRep優(yōu)(yōu)化3D打印方法

為了開(kāi)發(fā)(fā)允許用戶(hù)快速個(gè)性化每個(gè)骨移植物的植入物制造方法，科學(xué)(xué)家采用了FRep建模方法。從本質(zhì)(zhì)上講，F(xiàn)Rep采用了更加隱式的建模方法，該方法允許它復(fù)制具有多孔，多孔和不規(guī)則微結(jié)構(gòu)的復(fù)雜形狀。與基于CAD的模型相比，該團(tuán)隊發(fā)(fā)現(xiàn)FRep產(chǎn)(chǎn)生了準(zhǔn)確無(wú)誤的設(shè)計，并且適應(yīng)性更強(qiáng)。為了測試他們的模型在最終使用條件下的性能，科學(xué)(xué)家使用了SLA打印機(jī)來(lái)固化由多組分粘合劑和陶瓷粉末組成的糊劑。

印刷后，將“綠色”零件在熔爐中加熱以去除塑料粘合劑，并使用SLS系統(tǒng)將其燒結(jié)成具有預(yù)定特性的最終形狀。然后，團(tuán)隊使用SEM顯微鏡和各種機(jī)械應(yīng)力測試對所得的圓柱形試樣進(jìn)(jìn)行評估。在軸向壓縮下，3D打印的植入物顯示出400 MPa的強(qiáng)度，而SEM圖像顯示的孔徑范圍為440至700 μm（在團(tuán)隊的公差范圍內(nèi)）。盡管尺寸為4（D）x 9.5mm（W）的樣品證明是自支撐的，但在早期設(shè)計過(guò)程中確實(shí)需要少量的材料增強(qiáng)。

考慮到他們的植入物顯示出與小梁骨相同水平的抗壓強(qiáng)度，科學(xué)(xué)家認(rèn)為他們的方法是成功的。該小組打算在將來(lái)優(yōu)(yōu)化他們的打印方法，并且出于這個(gè)目的，已經(jīng)(jīng)將其中的十個(gè)原型發(fā)(fā)送到了動(dòng)物測試機(jī)構(gòu)。

陶瓷添加劑應(yīng)用的增長(cháng)

不僅在醫(yī)療行業(yè)(yè)，而且在電子和牙科領(lǐng)(lǐng)域，越來(lái)越多地將陶瓷用于具有增強(qiáng)性能的3D打印部件。材料噴射專(zhuān)家XJet與牙科公司Straumann合作，以提高其機(jī)器制造牙科產(chǎn)(chǎn)品的能力。通過(guò)使用XJet系統(tǒng)和陶瓷原料，Straumann的目標(biāo)是減少花費(fèi)在時(shí)間密集型后處理任務(wù)(wù)上的時(shí)間。

法國陶瓷技術(shù)(shù)轉(zhuǎn)讓中心已將nScrypt的工廠(chǎng)之一安裝在工具（FiT）機(jī)器中，作為3D打印電子產(chǎn)(chǎn)品的一種手段。利用他們的新系統(tǒng)，該團(tuán)隊現(xiàn)在能夠在各種基板上保形地3D打印精細(xì)導(dǎo)線(xiàn)。

在其他地方，德國陶瓷增材制造公司StoneFlower3D開(kāi)發(fā)(fā)了一種新的打印頭，用于在3D打印過(guò)程中處理粘土，混凝土和漿料。該設(shè)備旨在為臺式機(jī)用戶(hù)提供一種更容易獲得的陶瓷產(chǎn)(chǎn)品制造方法。

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