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      研究利用生物3D打印機創建骨骼支架

      作者: 15**15

      來源:客戶端

      發布時間:2019-03-30 16:52:25

      點擊量:747

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      3D打印技術在醫療領域取得的進步令人驚嘆,特別是在生物打印方面,創造了許多不同的技術和材料。現在,新加坡的研究人員正在探索鎂合金在制造腳手架中的應用,其研究通過利用生物3D打印機在毛細管介導的無粘合劑中添加鎂、鋅、 鋯、等合金。

      鎂是一種可用于組織工程的第三代生物材料,然而卻存在著無數的挑戰。正如研究人員指出的,鎂對氧氣的高親和力和低沸點溫度處理,以及可能和其他化學品發生反應,在處理鎂粉時這些問題是必須仔細考慮的。


             在超固相液相燒結5小時,在不同溫度下燒結的樣品的SEM顯微照片


      高蒸氣壓也是阻礙使用鎂的主要挑戰之一,導致研究人員必須在適溫的條件下進行探索。因為在適溫的條件下,就不需要添加多余的支撐,并且粉末也可以完全再循環利用。在這里,研究人員創造了一種新的3D打印技術,包括燒結工藝,將鎂粉和綠色物體轉化為可用于腳手架的功能部件,生產具有與人體骨骼一樣強大的機械性能的部件。

      研究團隊為這項研究定制了自己的噴墨3D打印機,努力克服以前使用鎂的挑戰。將氧氣百分比維持在可能的最低水平。研究人員表示:“在低水平的綠色物體中保存氧氣表明了鎂基合金AM配制溶劑的良好前景。”

      3D打印的綠色樣品在燒結后的成分中完全沒有變化,這意味著它是一個“燒結零成分的過程”。但是,隨著溫度變化,密度和穩定性都受到影響。研究人員表示,尺寸精度是另一個至關重要的因素,并且在3D打印過程中也會造成偏差的影響。膨脹也可能引起實質性問題,導致打印物的形狀損失,在燒結溫度從595℃升高到610℃時都會出現。膨脹還會干擾組件的功能。


      在535℃至610℃的不同溫度下燒結5小時后的樣品


      在繼續研究其他特征時,研究人員發現密度隨溫度升高而增加。在研究保持時間對物理和機械性能的影響時,他們還發現即使密度變高,強度也可能很低。總的來說,為了克服創建支架所需的挑戰,必須存在機械完整性,以及平衡的剛度和強度。

      研究人員說: “支架的機械性能可影響細胞行為和宿主組織與支架之間的骨整合,如果支架提供足夠的機械支撐,可能會發生軟骨下骨骨缺損的過早塌陷。因此,應調整支架的剛度和強度以與宿主組織的剛度和強度相匹配,以避免術后應力屏蔽效應并促進組織再生。”



      健康支架表現出良好的孔隙百分比、大小、形狀、骨整合、以及營養物運輸組織向內生長和廢物去除。隨著這些有序的進程的發展,骨組織再生是可能的。

      研究人員表示:“鎂基合金在臨床結果方面被歸類為第三代生物材料,燒結后毛細管介導的無粘合劑3D打印鎂部件可以提供與骨相當的特性。”在他們的論文中,研究人員更多地解釋了人類皮質骨的結構,這是一個三種尺寸等級的組織,包括:

      1、Haversian和Volkmann血管直徑在40到100μm之間

      2、骨細胞缺陷,大小在10到30μm之間

      3、導管直徑約為幾十納米

      孔隙度問題可以處理,因為在3D打印中產生較大的孔以補償所需的百分比,從而精煉支架以用于骨架更好的組織工程。

      在573℃的最佳燒結溫度下,將保持時間從5h增加到20,40和60h,可以在每個額外的保持時間內顯著改善微觀結構,物理和機械性能,同時避免不希望的尺寸損失。研究人員總結說:“實現了相互連通的開孔結構,其孔隙率為29%,平均孔徑為15μm,抗壓強度為174MPa,彈性模量為18GPa,這些值與人類皮質骨類型的值相當。”

      今天3D打印技術與醫療領域之間存在著巨大的發展勢頭,許多不同類型的醫療植入物慢慢的改善患者的生活質量,從面部植入物到促進膝關節置換的那些,今后隨著各種生物材料的不斷擴大,組織工程將會處在3D打印的最前沿。

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