SKOLTECH科学家开发出3D打印个性化陶瓷骨植入物的新方法

Skolovo科技学院 （Skoltech）的科学家们开发了一种3D打印个性化陶瓷骨植入物的新颖方法。 

在他们的研究中，该团队采用了基于仿真的方法来创建灵活，无缺陷的3D模型，这将为其添加植入物提供基础。研究人员对这些设计进行了优化，使其具有较大的毛孔，可以定制毛孔以适应特定患者的需求，并使它们更容易与有机组织融合。 

该论文的合著者之一埃夫根尼·马尔采夫（Evgenii Maltsev）表示：“微观结构的功能表示（FRep）建模具有很多优势。” “ FRep始终保证所生成的模型是正确的，这与CAD系统中传统的多边形表示相反，在传统的多边形表示中，模型可能会出现裂纹或面不相交。”

这些团队的植入物具有多孔结构，可以根据个人患者的需要进行调整。图片来自Skoltech，Pavel Odinev。

利用陶瓷的潜力 

陶瓷具有许多特性，例如耐磨性和化学稳定性，使其成为从工具到牙科产品的3D打印的理想选择。尽管如此，尽管在植入应用中也已经采用了增材制造技术，但在该领域使用陶瓷的频率却较低，通常使用富含细胞的聚合物和合金。 

研究人员在代尔夫特理工大学，例如，开发了基于镁-再生的支架，而Charité的-Universitätsmedizin柏林的研究发现，钛是最佳的物质基础。在其他地方，长崎大学和佐贺大学的日本科学家创造了一种完全没有生物支架的3D管状气管结构。 

同时，Skoltech的科学家认为孔隙度对手术后细胞的增殖至关重要，并将“最佳孔径”缩小到390至590 µm。已经证明，使用现有的原料很难达到这样的精确度，因为它们的低孔隙度会阻碍组织，血管和其他营养通道的生长。 

目前，使用发泡和烧尽添加剂来克服这些限制，但该团队认为3D打印将提供一个更好的平台来创建大孔结构。考虑到增材制造可以生产出具有可控孔隙率的零件，该技术具有打印具有定制结构的可定制植入物的潜力。 

研究团队使用SLA机器对陶瓷植入物进行3D打印（如图所示），然后进行脱脂和烧结步骤。图片来自《应用科学》杂志。

团队的FRep优化3D打印方法

为了开发允许用户快速个性化每个骨移植物的植入物制造方法，科学家采用了FRep建模方法。从本质上讲，FRep采用了更加隐式的建模方法，该方法允许它复制具有多孔，多孔和不规则微结构的复杂形状。 

与基于CAD的模型相比，该团队发现FRep产生了准确无误的设计，并且适应性更强。为了测试他们的模型在最终使用条件下的性能，科学家使用了SLA打印机来固化由多组分粘合剂和陶瓷粉末组成的糊剂。 

印刷过程之后，将“绿色”零件在熔炉中加热以去除塑料粘合剂，并使用SLS系统将其烧结成具有预定特性的最终形状。然后，团队使用SEM显微镜和各种机械应力测试对所得的圆柱形试样进行评估。 

在轴向压缩下，3D打印的植入物显示出400 MPa的强度，而SEM图像显示的孔径范围为440至700 µm（在团队的公差范围内）。尽管尺寸为4（D）x 9.5mm（W）的样品证明是自支撑的，但在早期设计过程中确实需要少量的材料增强。 

考虑到他们的植入物显示出与小梁骨相同水平的抗压强度，科学家认为他们的方法是成功的。该小组打算在将来优化他们的打印方法，并且出于这一目的，他们的十个原型已被送到动物测试机构。 

陶瓷添加剂应用的增长

不仅在医疗行业，而且在电子和牙科领域，越来越多地将陶瓷用于具有增强性能的3D打印部件。 

材料喷射专家XJet已与牙科公司Straumann合作，以提高其机器制造牙科产品的能力。通过使用XJet系统和陶瓷原料，Straumann的目标是减少花费在时间密集型后处理任务上的时间。 

法国陶瓷技术转让中心已将nScrypt的工厂之一安装在工具（FiT）机器中，作为3D打印电子产品的一种手段。利用他们的新系统，该团队现在能够在各种基板上保形地3D打印精细导线。

其他方面，德国陶瓷添加剂制造公司StoneFlower3D已经开发出一种新的打印头进行3D打印过程中处理粘土，水泥和粘贴。该设备旨在为台式机用户提供一种更容易获得的陶瓷产品制造方法。