性羥基磷灰石骨植體的3D打印研究

羥基磷灰石是一種天然存在的礦物質(zhì)，是牙釉質(zhì)和骨骼的主要無(wú)機(jī)成分。在一篇名為“基于陶瓷3D打印過(guò)程的復(fù)雜骨骼設(shè)計(jì)優(yōu)化”的論文中，一組研究人員描述了他們?nèi)绾问褂?D打印材料，研究不同參數(shù)的影響，最后3D打印骨植體。

研究人員首先使用CELLINK的INKREDIBLE + 3D打印墨水3D打印幾個(gè)立方體形狀的支架。打印后，將樣品干燥，燒結(jié)并冷卻。使用卡尺拍攝支架的尺寸，并進(jìn)行機(jī)械測(cè)試以測(cè)試支架的抗壓強(qiáng)度。然后使用掃描電子顯微鏡分析樣品，并進(jìn)行微CT掃描以獲得支架的非破壞性定性圖像，并進(jìn)行孔隙率計(jì)算、體積分?jǐn)?shù)和各向異性程度的定量3D分析，最后進(jìn)行案例研究。


“簡(jiǎn)要地說(shuō)，重建了橈骨遠(yuǎn)端畸形愈合的CT掃描，并使用CT成像重建和設(shè)計(jì)了所需的臨床缺損和移植物......從肘部到腕掌關(guān)節(jié)進(jìn)行了研究，”研究人員說(shuō)道。 “將DICOM文件導(dǎo)入醫(yī)學(xué)圖像處理軟件......以分割CT圖像并生成前臂骨骼的三維虛擬模型。 因此，進(jìn)行虛擬截骨術(shù)以產(chǎn)生半徑的角度和旋轉(zhuǎn)不對(duì)齊的精確校正。

使用Formlabs Form 2 3D打印機(jī)，使用透明樹(shù)脂3D打印患者缺陷的3D模型。將缺陷移植物的CAD按比例放大以補(bǔ)償燒結(jié)后的收縮，然后使用羥基磷灰石墨水進(jìn)行3D打印。 燒結(jié)后，將植體粘在缺損內(nèi)，并對(duì)整個(gè)構(gòu)建體進(jìn)行CT掃描。

研究人員在此過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，燒結(jié)后的收縮率與填充密度成正比。

他們解釋說(shuō)：“與100％填充密度相比，燒結(jié)后的平均外部體積小于50％，填充率為75％。” “......體積收縮和填充密度之間的這種關(guān)系可用于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)使用本研究中開(kāi)發(fā)的HA油墨的3D打印幾何形狀的收縮水平。因此，我們可以在設(shè)計(jì)過(guò)程中可以使用這些信息來(lái)擴(kuò)大幾何形狀，從而保持最終打印、燒結(jié)后工藝的準(zhǔn)確性。”

各種參數(shù)，包括打印速度、擠出力度和油墨粘度，都有助于改善燒結(jié)前支架的孔隙率。從支架基質(zhì)中除去粘合劑后，溫度的升高導(dǎo)致顆粒振動(dòng)并彼此靠近，從而降低孔隙率并增加穩(wěn)定性。

“理解基于HA的3D打印結(jié)構(gòu)燒結(jié)過(guò)程后三維幾何收縮之間的關(guān)系，可以在設(shè)計(jì)文件和最終加工對(duì)象之間提供可預(yù)測(cè)的相關(guān)性，從而可以從術(shù)前CT掃描中打印出患者特異性骨缺損，”研究人員總結(jié)道。 “這項(xiàng)研究對(duì)臨床應(yīng)用的材料和3D設(shè)計(jì)過(guò)程優(yōu)化具有重要意義。這種方式的骨移植生產(chǎn)很有可能減少自體移植需求并縮短手術(shù)時(shí)間，從而影響手術(shù)的總體結(jié)果和費(fèi)用�！�

論文作者：Roopavath Uday Kiran，Sara Malferrari，Annemieke Van Haver，F(xiàn)rederik Verstreken，Subha Naryan Rath和Deepak N. Kalaskar。