新技術(shù)使研究人員能夠定制3D打印抗菌醫(yī)療設(shè)備
時(shí)間：2021-06-28 08:42 來(lái)源：中國(guó)3D打印網(wǎng) 作者：admin 閱讀：次
中國(guó)3D打印網(wǎng)6月28日訊，由英國(guó)諾丁漢大學(xué)的力學(xué)教授 Ricky Wildman 領(lǐng)導(dǎo)的工程師和健康專家團(tuán)隊(duì)找到了一種設(shè)計(jì)和制造定制醫(yī)療設(shè)備的新方法，以提高性能和細(xì)菌抵抗力。研究人員結(jié)合使用多材料噴墨 3D 打印和遺傳算法，設(shè)計(jì)了量身定制的復(fù)合人造身體部件和其他具有內(nèi)置功能的醫(yī)療設(shè)備，可提供更好的形狀和耐用性，同時(shí)降低細(xì)菌感染的風(fēng)險(xiǎn)。該研究開辟了一種新制造概念的可能性，以經(jīng)濟(jì)高效的方式生產(chǎn)具有空間分布、可定制材料功能的設(shè)備。
醫(yī)療器械相關(guān)感染，例如植入假肢上的感染，很容易被細(xì)菌污染，通常會(huì)導(dǎo)致臨床結(jié)果不佳。這導(dǎo)致在治療細(xì)菌生物膜方面面臨重大挑戰(zhàn)，細(xì)菌生物膜具有許多有害影響。生物膜是在自產(chǎn)的細(xì)胞外基質(zhì)中分離的細(xì)菌群落，對(duì)抗生素的耐受性提高了 1,000 倍，宿主免疫系統(tǒng)防御。它們是一個(gè)尚未解決的主要全球生物醫(yī)學(xué)問題，僅在美國(guó)就占所有與醫(yī)療保健相關(guān)的感染的 25.6%。據(jù)中國(guó)3D打印網(wǎng)了解，生物膜的治療存在著診斷困難等重大挑戰(zhàn)，在臨床上，生物膜對(duì)抗生素的耐受性也很高，難以根除，廣泛用于減少設(shè)備感染，但往往伴隨著局部毒性和其他副作用。有幾種方法可以減少細(xì)菌在醫(yī)療設(shè)備上的粘附，包括 3D 可打印聚合物中的抗菌藥物涂層。
受解決設(shè)備相關(guān)細(xì)菌感染和抗菌素耐藥性需求的啟發(fā)，研究人員提出并發(fā)表在《Advanced Science》雜志上的新工藝建議使用計(jì)算機(jī)輔助的多材料 3D 打印技術(shù)，該技術(shù)證明可以結(jié)合復(fù)雜的功能在一個(gè)定制的醫(yī)療保健設(shè)備中，以提高患者的健康。根據(jù)該研究的主要作者、諾丁漢大學(xué)工程學(xué)院過(guò)渡助理教授何銀峰的說(shuō)法，大多數(shù)批量生產(chǎn)的醫(yī)療設(shè)備無(wú)法完全滿足用戶獨(dú)特而復(fù)雜的需求。同時(shí)，單一材料 3D 打印方法具有設(shè)計(jì)限制，無(wú)法生產(chǎn)具有多種生物或機(jī)械功能的定制設(shè)備。隨著全球人口老齡化、慢性病病例增加和全球健康危機(jī)導(dǎo)致對(duì)醫(yī)療設(shè)備的自然需求和不斷增長(zhǎng)的需求，與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，3D 打印因其成本效益而成為可靠盟友。 3D 打印的醫(yī)療設(shè)備更便宜，并且可以定制，并且在部件損壞和兒童成長(zhǎng)時(shí)更容易更換。此外，借助諾丁漢大學(xué)研究人員的新技術(shù)，醫(yī)療保健領(lǐng)域可以進(jìn)一步改善患者的生活，減輕政府不斷增長(zhǎng)的醫(yī)療預(yù)算帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。
遵循該方法的示意性方法來(lái)開發(fā)、3D 打印和表征定制的生物膜抑制裝置。圖片由諾丁漢大學(xué)提供。
研究作者希望創(chuàng)新的設(shè)計(jì)過(guò)程可以應(yīng)用于 3D 打印任何需要可定制形狀和功能的醫(yī)療設(shè)備。例如，該方法可用于制造高度定制的一體式假肢或關(guān)節(jié)，以替換丟失的手指或腿，使其完美貼合患者，以提高他們的舒適度和假肢的耐用性。或者，它可以用于打印包含多種藥物的定制藥丸——稱為多藥丸——經(jīng)過(guò)優(yōu)化，以預(yù)先設(shè)計(jì)的治療順序釋放到體內(nèi)。
在這項(xiàng)研究中，研究人員應(yīng)用了一種計(jì)算機(jī)算法來(lái)逐個(gè)像素地設(shè)計(jì)和制造由兩種不同硬度的聚合物材料組成的 3D 打印物體，這些材料還可以防止細(xì)菌生物膜的形成。他們成功地實(shí)現(xiàn)了定制形狀和尺寸的零件，通過(guò)優(yōu)化剛度來(lái)提供所需的靈活性和強(qiáng)度。通過(guò)多材料噴墨 3D 打印，通過(guò) SUSS MicroTec 的雙頭 PiXDRO LP50 噴墨打印機(jī)，他們能夠設(shè)計(jì)每個(gè)體素中不同墨水的比例，以展示所需的性能，例如模量或透明度。他們使用可噴墨打印的生物膜抗性配方和計(jì)算設(shè)計(jì)方法來(lái)指導(dǎo)多材料設(shè)備的制造。作為研究的一部分，該團(tuán)隊(duì)能夠 3D 打印具有人工指關(guān)節(jié)置換的傳統(tǒng)功能的指關(guān)節(jié)，該人工指關(guān)節(jié)置換的剛性也足以植入骨骼。此外，他們定制了它的尺寸和強(qiáng)度，以滿足個(gè)別患者的要求。
醫(yī)療器械相關(guān)感染，例如植入假肢上的感染，很容易被細(xì)菌污染，通常會(huì)導(dǎo)致臨床結(jié)果不佳。這導(dǎo)致在治療細(xì)菌生物膜方面面臨重大挑戰(zhàn)，細(xì)菌生物膜具有許多有害影響。生物膜是在自產(chǎn)的細(xì)胞外基質(zhì)中分離的細(xì)菌群落，對(duì)抗生素的耐受性提高了 1,000 倍，宿主免疫系統(tǒng)防御。它們是一個(gè)尚未解決的主要全球生物醫(yī)學(xué)問題，僅在美國(guó)就占所有與醫(yī)療保健相關(guān)的感染的 25.6%。據(jù)中國(guó)3D打印網(wǎng)了解，生物膜的治療存在著診斷困難等重大挑戰(zhàn)，在臨床上，生物膜對(duì)抗生素的耐受性也很高，難以根除，廣泛用于減少設(shè)備感染，但往往伴隨著局部毒性和其他副作用。有幾種方法可以減少細(xì)菌在醫(yī)療設(shè)備上的粘附，包括 3D 可打印聚合物中的抗菌藥物涂層。
受解決設(shè)備相關(guān)細(xì)菌感染和抗菌素耐藥性需求的啟發(fā)，研究人員提出并發(fā)表在《Advanced Science》雜志上的新工藝建議使用計(jì)算機(jī)輔助的多材料 3D 打印技術(shù)，該技術(shù)證明可以結(jié)合復(fù)雜的功能在一個(gè)定制的醫(yī)療保健設(shè)備中，以提高患者的健康。根據(jù)該研究的主要作者、諾丁漢大學(xué)工程學(xué)院過(guò)渡助理教授何銀峰的說(shuō)法，大多數(shù)批量生產(chǎn)的醫(yī)療設(shè)備無(wú)法完全滿足用戶獨(dú)特而復(fù)雜的需求。同時(shí)，單一材料 3D 打印方法具有設(shè)計(jì)限制，無(wú)法生產(chǎn)具有多種生物或機(jī)械功能的定制設(shè)備。隨著全球人口老齡化、慢性病病例增加和全球健康危機(jī)導(dǎo)致對(duì)醫(yī)療設(shè)備的自然需求和不斷增長(zhǎng)的需求，與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，3D 打印因其成本效益而成為可靠盟友。 3D 打印的醫(yī)療設(shè)備更便宜，并且可以定制，并且在部件損壞和兒童成長(zhǎng)時(shí)更容易更換。此外，借助諾丁漢大學(xué)研究人員的新技術(shù)，醫(yī)療保健領(lǐng)域可以進(jìn)一步改善患者的生活，減輕政府不斷增長(zhǎng)的醫(yī)療預(yù)算帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。
遵循該方法的示意性方法來(lái)開發(fā)、3D 打印和表征定制的生物膜抑制裝置。圖片由諾丁漢大學(xué)提供。
研究作者希望創(chuàng)新的設(shè)計(jì)過(guò)程可以應(yīng)用于 3D 打印任何需要可定制形狀和功能的醫(yī)療設(shè)備。例如，該方法可用于制造高度定制的一體式假肢或關(guān)節(jié)，以替換丟失的手指或腿，使其完美貼合患者，以提高他們的舒適度和假肢的耐用性。或者，它可以用于打印包含多種藥物的定制藥丸——稱為多藥丸——經(jīng)過(guò)優(yōu)化，以預(yù)先設(shè)計(jì)的治療順序釋放到體內(nèi)。
在這項(xiàng)研究中，研究人員應(yīng)用了一種計(jì)算機(jī)算法來(lái)逐個(gè)像素地設(shè)計(jì)和制造由兩種不同硬度的聚合物材料組成的 3D 打印物體，這些材料還可以防止細(xì)菌生物膜的形成。他們成功地實(shí)現(xiàn)了定制形狀和尺寸的零件，通過(guò)優(yōu)化剛度來(lái)提供所需的靈活性和強(qiáng)度。通過(guò)多材料噴墨 3D 打印，通過(guò) SUSS MicroTec 的雙頭 PiXDRO LP50 噴墨打印機(jī)，他們能夠設(shè)計(jì)每個(gè)體素中不同墨水的比例，以展示所需的性能，例如模量或透明度。他們使用可噴墨打印的生物膜抗性配方和計(jì)算設(shè)計(jì)方法來(lái)指導(dǎo)多材料設(shè)備的制造。作為研究的一部分，該團(tuán)隊(duì)能夠 3D 打印具有人工指關(guān)節(jié)置換的傳統(tǒng)功能的指關(guān)節(jié)，該人工指關(guān)節(jié)置換的剛性也足以植入骨骼。此外，他們定制了它的尺寸和強(qiáng)度，以滿足個(gè)別患者的要求。
采用多材料 3D 打印工藝制成的具有定制強(qiáng)度分布的抗菌人造手指關(guān)節(jié)假肢。圖片由諾丁漢大學(xué)提供。
隨著設(shè)計(jì)控制水平的提高，該團(tuán)隊(duì)使用多種材料進(jìn)行了新型 3D 打印，這些材料本質(zhì)上具有抗細(xì)菌性和生物功能性，使它們能夠被植入并對(duì)抗感染（可能在手術(shù)期間和手術(shù)后發(fā)生）而無(wú)需使用添加的抗生素藥物。他們還采用了德國(guó)電子制造商 IONTOF 的新高分辨率表征技術(shù)。 3D orbiSIMS 儀器用于對(duì)打印結(jié)構(gòu)的化學(xué)進(jìn)行 3D 映射，并在整個(gè)零件中測(cè)試它們之間的結(jié)合。這表明——在非常小的尺度上——兩種材料在它們的界面處混合，這是良好結(jié)合的標(biāo)志，這意味著這些設(shè)備更不容易破裂。
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