Skoltech：开发3D打印个性化陶瓷骨植入物的新方法

2020年11月20日，南极熊获悉，Skolovo科学技术学院（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。

△植入物是多孔结构，可以调整以适应个别患者的需求，图片来自Skoltech公司的Pavel Odinev

团队采用基于仿真的方法来创建灵活，无缺陷的3D模型，这将为增材制造植入物提供基础。研究人员对这些设计进行了优化，使其具有较大的孔，可以根据特定患者的需要进行定制，并使它们更容易与有机组织融合。

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Functional representation （FRep） 功能建模具有很多优势，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。”

发挥陶瓷的潜力 

陶瓷具有许多特性，如耐磨性和化学稳定性，成为从工具到牙科产品3D打印的理想选择。虽然增材制造也已在植入物应用中被采用，但陶瓷在这一领域的应用较少，通常首选含细胞的聚合物和合金。

例如，代尔夫特理工大学的研究人员已经开发了基于镁的再生支架，而柏林Charité大学的一项研究发现，钛是最佳材料基础。来自长崎大学和佐贺大学的日本科学家，已经创造了一种完全没有生物支架的3D管状气管结构。

与此同时，Skoltech的科学家们确定了孔隙度对手术后细胞增殖至关重要，并将 ＂最佳孔隙尺寸 ＂缩小到了390至590微米之间。事实证明，使用现有的原料很难达到这一水平，因为它们的低孔隙率阻碍了组织、血管和其他营养管道的生长。

目前，发泡添加剂被用来克服这些限制，但团队理论上认为，3D打印将为创建大孔结构提供更好的平台。鉴于快速成型制造可以生产具有可控孔隙率的部件，这项技术具有打印可定制结构的植入物的潜力。

△研究团队使用SLA机器对陶瓷植入物进行3D打印，然后进行脱脂和烧结步骤，图片来自《应用科学》杂志

FRep优化3D打印方法

为了开发快速个性化骨移植入物制造方法，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，允许复制具有多孔和不规则微结构的复杂形状。

与基于CAD的模型相比，团队发现FRep输出了准确无误的设计，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材料。

打印之后，把毛坯零件在熔炉中加热以去除塑料粘合剂，并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）。  

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。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。

研究人员在题为“Design and Fabrication of Complex－Shaped Ceramic Bone Implants via 3D Printing based on Laser Stereolithography．” 的论文中进行了详细介绍。这项研究是由Alexander Safonov，Evgenii Maltsev，Svyatoslav Chugunov，Andrey Tikhonov，Stepan KonevOrcID，Stanislav Evlashin，Dmitry Popov，Alexander Pasko和Iskander Akhatov合著。