創(chuàng)想三維：研究利用生物3D打印機創(chuàng)建骨骼支架
3D打印技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域取得的進步令人驚嘆，特別是在生物打印方面，創(chuàng)造了許多不同的技術(shù)和材料。現(xiàn)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(yīng)用，其研究通過利用生物3D打印機在毛細管介導(dǎo)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(shù)的挑戰(zhàn)。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(fā)生反應(yīng)，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(jié)5小時，在不同溫度下燒結(jié)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(zhàn)之一，導(dǎo)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(huán)利用。在這里，研究人員創(chuàng)造了一種新的3D打印技術(shù)，包括燒結(jié)工藝，將鎂粉和綠色物體轉(zhuǎn)化為可用于腳手架的功能部件，生產(chǎn)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(zhàn)。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(jié)后的成分中完全沒有變化，這意味著它是一個“燒結(jié)零成分的過程”。但是，隨著溫度變化，密度和穩(wěn)定性都受到影響。研究人員表示，尺寸精度是另一個至關(guān)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(zhì)性問題，導(dǎo)致打印物的形狀損失，在燒結(jié)溫度從595℃升高到610℃時都會出現(xiàn)。膨脹還會干擾組件的功能。
在535℃至610℃的不同溫度下燒結(jié)5小時后的樣品
在繼續(xù)研究其他特征時，研究人員發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)即使密度變高，強度也可能很低。總的來說，為了克服創(chuàng)建支架所需的挑戰(zhàn)，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(fā)生軟骨下骨骨缺損的過早塌陷。因此，應(yīng)調(diào)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(shù)后應(yīng)力屏蔽效應(yīng)并促進組織再生。”
健康支架表現(xiàn)出良好的孔隙百分比、大小、形狀、骨整合、以及營養(yǎng)物運輸組織向內(nèi)生長和廢物去除。隨著這些有序的進程的發(fā)展，骨組織再生是可能的。
研究人員表示：“鎂基合金在臨床結(jié)果方面被歸類為第三代生物材料，燒結(jié)后毛細管介導(dǎo)的無粘合劑3D打印鎂部件可以提供與骨相當?shù)奶匦浴！痹谒麄兊恼撐闹校芯咳藛T更多地解釋了人類皮質(zhì)骨的結(jié)構(gòu)，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(dǎo)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(chǎn)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(jié)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(nèi)顯著改善微觀結(jié)構(gòu)，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(jié)說：“實現(xiàn)了相互連通的開孔結(jié)構(gòu)，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(zhì)骨類型的值相當。”
今天3D打印技術(shù)與醫(yī)療領(lǐng)域之間存在著巨大的發(fā)展勢頭，許多不同類型的醫(yī)療植入物慢慢的改善患者的生活質(zhì)量，從面部植入物到促進膝關(guān)節(jié)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。
來源：創(chuàng)想三維 https://www.cxsw3d.com/
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