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科学家研发3D打印骨植入物新方法

众所周知,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。近日Skoltech的科学家们开发了一种3D打印个性化陶瓷骨植入物的新方法,让陶瓷真正成为骨骼组织的植入物。

在他们的研究中,该团队采用了基于仿真的方法来创建灵活,无缺陷的3D模型,这将为其添加植入物提供基础。研究人员对这些设计进行了优化,使其具有较大的毛孔,可以定制毛孔以适应特定患者的需求,并使它们更容易与有机组织融合。

多孔结构的植入物设计

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采用了一种更加隐式的建模方法,该方法可使其复制具有多孔,蜂窝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。

印刷过程之后,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)的样品被证明是自支撑的,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的抗压强度,科学家认为他们的方法是成功的。该团队打算在将来优化他们的打印方法,并且出于这个目的,他们的十个原型已被送到动物测试机构。

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