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雜愈合過程的要求。永久植入物的機械特性導致周圍骨組織的應力降低，削弱它并增加再骨折的風險，并且骨組織本身不會愈合。 此外，植入物在體內的長期保留會增加進一步手術干預的風險，尤其是在老年人群中。 盡管自體骨移植可以促進周圍骨組織的自我修復，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。

帶點陣晶格結構的顎骨植入物
© 亞琛數字增材制造學院

 促進愈合過程

3D科學谷表示，根據沃爾夫定律，骨骼會重建和自組織其拓撲結構以適應施加在其上的外部負載， 在應力屏蔽的情況下，大部分自然載荷從皮質骨中移除，導致驅動骨形成的機械刺激喪失，導致骨質隨時間流失。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險，從而導致種植體無菌松動。植入物松動會導致大腿疼痛，增加假體周圍的風險。

根據3D科學谷的市場了解，作為 BioStruct 項目的一部分，位于亞琛的醫療技術創新生態系統正在研究針對患者的植入物的進一步開發。BioStruct項目由聯邦教育和研究部（BMBF）資助（資助代碼 13GW0404D），目標是開發一種新型 ZnMg 合金用于增材制造具有集成算法的晶格結構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患者的個性化需求，從而促進優化的愈合過程。

為此，ACAM亞琛增材制造中心的研發成員DAP RWTH亞琛工業大學數字增材制造學院開發了一種增材制造工藝，用于結合只能使用激光粉末床熔融 (LPBF) 3D打印技術生產的創新點陣晶格結構，生產新型鋅鎂合金成分的骨科植入物。該項目的成果將被轉移到 reACT 聯盟，該聯盟已經在 2022 年下半年開始了對未來植入物的跨學科研究。

點陣晶格結構
© 亞琛數字增材制造學院

reACT 聯盟（“來自亞琛技術區的可吸收醫療解決方案”，資助代碼：03RU1U173C）是資助計劃“RUBIN – 區域創新創業聯盟”的一部分，由德國聯邦教育及科技部（BMBF）資助。reACT 聯盟包括Meotec，Fibrothelium，3D Systems，亞琛工業大學數字增材生產學院 DAP – RWTH Aachen。

時至今日，所謂的臨界尺寸骨缺損構成了一個復雜的醫學問題：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，BioStruct 聯盟的合作伙伴正在開發一種生物可吸收植入物概念，其材料特性和幾何設計滿足患者友好型骨愈合的復雜要求。

 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域顯示出令人鼓舞的成果。在生物可吸收金屬合金的開發背景下，純鋅 (Zn) 的特點是在人體中具有良好的降解性能。然而，其機械強度不足以用作植入物。另一方面，鎂 (Mg) 因其類似骨骼的機械性能，已被用作制造植入物的材料，例如在足部手術中。然而，它在特殊應用中在體內降解太快，并且在組織的潮濕環境中會發生氣體形成。出于這個原因，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合起來用于人體以及 通過LPBF選區激光熔融金屬3D打印的可加工性。

 患者特異性植入物的算法設計

LPBF 為植入物的設計提供了全新的設計可能性，以進一步滿足患者的特定要求，例如滿足應用部位的機械應力和腐蝕行為。ACAM亞琛增材制造中心的研發成員DAP RWTH亞琛工業大學數字增材制造學院開發了創新方法用于點陣晶格結構設計：根據定義的要求，以參數化方式生成各個支柱或點陣晶格單元的幾何形狀和排列，生成的點陣晶格結構適應骨缺損部位，并為使用 LPBF 選區激光熔融金屬3D打印技術進行生產做好準備。在這種情況下，支柱直徑是一個重要參數。對晶格結構設計的調整允許植入物被身體吸收時代謝掉降解產物，促進組織向內生長。

© 3D科學谷白皮書

根據3D科學谷，泡沫點陣結構的性能具有很高的設計靈活性。通過調整點陣的相對密度、單胞的構型、連桿的尺寸，達到結構的強度、剛度、韌性、耐久性、靜力學性能、動力學性能的完美平衡。點陣結構比強度和比剛度高，在低密度結構中有較大的力學性能優勢。與傳統的固體材料相比，金屬點陣材料的密度大大降低，具有相同性能的點陣結構可以減重達70%以上。與金屬泡沫材料相比，金屬點陣結構性能上可控制，強度和模量比金屬泡沫材料高出一個量級，承載效率更高。

 第一個鋅鎂合金植入物成功

在研究中，科學家們能夠通過在鋅中添加少量鎂來實現晶粒細化和有針對性的微觀結構調整。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品的最佳性能。帶點陣晶格結構的顎骨植入物的點陣晶格結構的支柱直徑為 200 μm。通過 LPBF 制造了額外的結構，用于研究 ZnMg 的生物相容性。未來，這些結構旨在為膠原蛋白或絲心蛋白等材料的滲透形成穩定的框架，從而促使骨骼生長。

通過系統地研究設計、材料和工藝優化，開發的植入物解決方案具有可擴展的產業化基礎。下一步，設計過程將得到優化和自動化：為了將與患者和生產相關的要求自動納入設計過程，DAP RWTH亞琛工業大學數字增材制造學院的科研人員正在開發一個特定于材料和后處理的數據庫，以及一個特定于應用程序的數據庫。前者包括機械性能、LPBF 設計限制和 LPBF 工藝參數等輸入變量。后者包括一個數據庫，包含患者的年齡、性別、缺陷大小和骨科幾何形狀等信息。

(責任編輯：admin)

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