由鈦合金或不銹鋼制成的永久植入物和自體骨移植物（由患者自己的骨骼制成的移植物）是治療骨缺損最常用的解決方案之一。 然而，它們只能部分滿足對患者友好的復(fù)雜愈合過程的要求。永久植入物的機(jī)械特性導(dǎo)致周圍骨組織的應(yīng)力降低，削弱它并增加再骨折的風(fēng)險(xiǎn)，并且骨組織本身不會愈合。 此外，植入物在體內(nèi)的長期保留會增加進(jìn)一步手術(shù)干預(yù)的風(fēng)險(xiǎn)，尤其是在老年人群中。 盡管自體骨移植可以促進(jìn)周圍骨組織的自我修復(fù)，從而獲得最佳的治療效果，但它們只能用于一定體積的缺損。

帶點(diǎn)陣晶格結(jié)構(gòu)的顎骨植入物
© 亞琛數(shù)字增材制造學(xué)院

 促進(jìn)愈合過程

3D科學(xué)谷表示，根據(jù)沃爾夫定律，骨骼會重建和自組織其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以適應(yīng)施加在其上的外部負(fù)載， 在應(yīng)力屏蔽的情況下，大部分自然載荷從皮質(zhì)骨中移除，導(dǎo)致驅(qū)動骨形成的機(jī)械刺激喪失，導(dǎo)致骨質(zhì)隨時(shí)間流失。這因此削弱了種植體支撐并增加了種植體和骨骼界面處微動升高的風(fēng)險(xiǎn)，從而導(dǎo)致種植體無菌松動。植入物松動會導(dǎo)致大腿疼痛，增加假體周圍的風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場了解，作為 BioStruct 項(xiàng)目的一部分，位于亞琛的醫(yī)療技術(shù)創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)正在研究針對患者的植入物的進(jìn)一步開發(fā)。BioStruct項(xiàng)目由聯(lián)邦教育和研究部（BMBF）資助（資助代碼 13GW0404D），目標(biāo)是開發(fā)一種新型 ZnMg 合金用于增材制造具有集成算法的晶格結(jié)構(gòu)的生物可吸收植入物。3D打印的植入物可以被身體吸收并適應(yīng)患者的個(gè)性化需求，從而促進(jìn)優(yōu)化的愈合過程。

為此，ACAM亞琛增材制造中心的研發(fā)成員DAP RWTH亞琛工業(yè)大學(xué)數(shù)字增材制造學(xué)院開發(fā)了一種增材制造工藝，用于結(jié)合只能使用激光粉末床熔融 (LPBF) 3D打印技術(shù)生產(chǎn)的創(chuàng)新點(diǎn)陣晶格結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)新型鋅鎂合金成分的骨科植入物。該項(xiàng)目的成果將被轉(zhuǎn)移到 reACT 聯(lián)盟，該聯(lián)盟已經(jīng)在 2022 年下半年開始了對未來植入物的跨學(xué)科研究。

點(diǎn)陣晶格結(jié)構(gòu)
© 亞琛數(shù)字增材制造學(xué)院

reACT 聯(lián)盟（“來自亞琛技術(shù)區(qū)的可吸收醫(yī)療解決方案”，資助代碼：03RU1U173C）是資助計(jì)劃“RUBIN – 區(qū)域創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)聯(lián)盟”的一部分，由德國聯(lián)邦教育及科技部（BMBF）資助。reACT 聯(lián)盟包括Meotec，F(xiàn)ibrothelium，3D Systems，亞琛工業(yè)大學(xué)數(shù)字增材生產(chǎn)學(xué)院 DAP – RWTH Aachen。

時(shí)至今日，所謂的臨界尺寸骨缺損構(gòu)成了一個(gè)復(fù)雜的醫(yī)學(xué)問題：由于大量缺失的骨量和任何游離骨端之間的距離，這些缺損中的骨骼無法自行愈合。考慮到這一點(diǎn)，BioStruct 聯(lián)盟的合作伙伴正在開發(fā)一種生物可吸收植入物概念，其材料特性和幾何設(shè)計(jì)滿足患者友好型骨愈合的復(fù)雜要求。

 鋅、鎂，還是兩者兼而有之？

特別是，鋅鎂合金在可吸收骨植入物領(lǐng)域顯示出令人鼓舞的成果。在生物可吸收金屬合金的開發(fā)背景下，純鋅 (Zn) 的特點(diǎn)是在人體中具有良好的降解性能。然而，其機(jī)械強(qiáng)度不足以用作植入物。另一方面，鎂 (Mg) 因其類似骨骼的機(jī)械性能，已被用作制造植入物的材料，例如在足部手術(shù)中。然而，它在特殊應(yīng)用中在體內(nèi)降解太快，并且在組織的潮濕環(huán)境中會發(fā)生氣體形成。出于這個(gè)原因，研究人員正在研究這些純金屬的不同合金成分，以有效地將兩者的特性結(jié)合起來用于人體以及 通過LPBF選區(qū)激光熔融金屬3D打印的可加工性。

 患者特異性植入物的算法設(shè)計(jì)

LPBF 為植入物的設(shè)計(jì)提供了全新的設(shè)計(jì)可能性，以進(jìn)一步滿足患者的特定要求，例如滿足應(yīng)用部位的機(jī)械應(yīng)力和腐蝕行為。ACAM亞琛增材制造中心的研發(fā)成員DAP RWTH亞琛工業(yè)大學(xué)數(shù)字增材制造學(xué)院開發(fā)了創(chuàng)新方法用于點(diǎn)陣晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：根據(jù)定義的要求，以參數(shù)化方式生成各個(gè)支柱或點(diǎn)陣晶格單元的幾何形狀和排列，生成的點(diǎn)陣晶格結(jié)構(gòu)適應(yīng)骨缺損部位，并為使用 LPBF 選區(qū)激光熔融金屬3D打印技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)做好準(zhǔn)備。在這種情況下，支柱直徑是一個(gè)重要參數(shù)。對晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的調(diào)整允許植入物被身體吸收時(shí)代謝掉降解產(chǎn)物，促進(jìn)組織向內(nèi)生長。

© 3D科學(xué)谷白皮書

根據(jù)3D科學(xué)谷，泡沫點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的性能具有很高的設(shè)計(jì)靈活性。通過調(diào)整點(diǎn)陣的相對密度、單胞的構(gòu)型、連桿的尺寸，達(dá)到結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、韌性、耐久性、靜力學(xué)性能、動力學(xué)性能的完美平衡。點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)比強(qiáng)度和比剛度高，在低密度結(jié)構(gòu)中有較大的力學(xué)性能優(yōu)勢。與傳統(tǒng)的固體材料相比，金屬點(diǎn)陣材料的密度大大降低，具有相同性能的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)可以減重達(dá)70%以上。與金屬泡沫材料相比，金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)性能上可控制，強(qiáng)度和模量比金屬泡沫材料高出一個(gè)量級，承載效率更高。

 第一個(gè)鋅鎂合金植入物成功

在研究中，科學(xué)家們能夠通過在鋅中添加少量鎂來實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化和有針對性的微觀結(jié)構(gòu)調(diào)整。在從純鋅到 Zn8Mg 合金的不同成分的廣泛合金篩選中，鎂含量≤ 1 wt-% 的 ZnMg 合金顯示出用作骨替代產(chǎn)品的最佳性能。帶點(diǎn)陣晶格結(jié)構(gòu)的顎骨植入物的點(diǎn)陣晶格結(jié)構(gòu)的支柱直徑為 200 μm。通過 LPBF 制造了額外的結(jié)構(gòu)，用于研究 ZnMg 的生物相容性。未來，這些結(jié)構(gòu)旨在為膠原蛋白或絲心蛋白等材料的滲透形成穩(wěn)定的框架，從而促使骨骼生長。

通過系統(tǒng)地研究設(shè)計(jì)、材料和工藝優(yōu)化，開發(fā)的植入物解決方案具有可擴(kuò)展的產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)。下一步，設(shè)計(jì)過程將得到優(yōu)化和自動化：為了將與患者和生產(chǎn)相關(guān)的要求自動納入設(shè)計(jì)過程，DAP RWTH亞琛工業(yè)大學(xué)數(shù)字增材制造學(xué)院的科研人員正在開發(fā)一個(gè)特定于材料和后處理的數(shù)據(jù)庫，以及一個(gè)特定于應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)庫。前者包括機(jī)械性能、LPBF 設(shè)計(jì)限制和 LPBF 工藝參數(shù)等輸入變量。后者包括一個(gè)數(shù)據(jù)庫，包含患者的年齡、性別、缺陷大小和骨科幾何形狀等信息。

(責(zé)任編輯：admin)

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