Skolovo科學技術學院（Skoltech）的科學家們開發(fā)了一種3D打印個性化陶瓷骨植入物的新穎方法。在他們的研究中，該團隊采用了基于仿真的方法來創(chuàng)建靈活，無缺陷的3D模型，這將為其添加植入物提供基礎。研究人員對這些設計進行了優(yōu)化，可以根據(jù)特定患者的需要對其進行定制，并使它們更容易與有機組織融合。

該論文的合著者之一埃夫根尼·馬爾察夫（Evgenii Maltsev）表示：“微觀結構的功能表示（FRep）建模具有很多優(yōu)勢。FRep始終保證所生成的模型是正確的，這與CAD系統(tǒng)中傳統(tǒng)的多邊形表示相反，在傳統(tǒng)的多邊形表示中，模型可能會出現(xiàn)裂紋或面不相交。”

這些團隊的植入物具有多孔結構，可以根據(jù)個人患者的需要進行調整。圖片來自Skoltech，Pavel Odinev。

利用陶瓷的潛力

陶瓷具有許多特性，例如耐磨性和化學穩(wěn)定性，使其成為從工具到牙科產品的3D打印的理想選擇。盡管如此，盡管在植入應用中也已經(jīng)采用了增材制造技術，但在該領域使用陶瓷的頻率卻較低，通常使用富含細胞的聚合物和合金。例如，荷蘭代爾夫特理工大學的研究人員已經(jīng)開發(fā)出了基于鎂的可再生支架，而柏林Charité-Universit?tsmedizin的一項研究發(fā)現(xiàn)，鈦是最佳的材料基礎。在其他地方，長崎大學和佐賀大學的日本科學家創(chuàng)造了一種完全沒有生物支架的3D管狀氣管結構，據(jù)中國3D打印網(wǎng)了解，Skoltech科學家發(fā)現(xiàn)孔隙率對手術后細胞的增殖至關重要，并將“最佳孔徑”縮小到390至590 μm。使用現(xiàn)有的原料很難達到這樣的精度，因為它們的低孔隙度會阻礙組織，血管和其他營養(yǎng)通道的生長。

目前，使用發(fā)泡和燒盡添加劑來克服這些限制，但該團隊認為3D打印將提供一個更好的平臺來創(chuàng)建大孔結構?？紤]到增材制造可以生產出具有可控孔隙率的零件，該技術具有打印具有定制結構的可定制植入物的潛力。

研究團隊使用SLA機器對陶瓷植入物進行3D打?。ㄈ鐖D所示），然后進行脫脂和燒結步驟。

圖片來自《應用科學》雜志。

團隊的FRep優(yōu)化3D打印方法

為了開發(fā)允許用戶快速個性化每個骨移植物的植入物制造方法，科學家采用了FRep建模方法。從本質上講，F(xiàn)Rep采用了更加隱式的建模方法，該方法允許它復制具有多孔，多孔和不規(guī)則微結構的復雜形狀。與基于CAD的模型相比，該團隊發(fā)現(xiàn)FRep產生了準確無誤的設計，并且適應性更強。為了測試他們的模型在最終使用條件下的性能，科學家使用了SLA打印機來固化由多組分粘合劑和陶瓷粉末組成的糊劑。

印刷后，將“綠色”零件在熔爐中加熱以去除塑料粘合劑，并使用SLS系統(tǒng)將其燒結成具有預定特性的最終形狀。然后，團隊使用SEM顯微鏡和各種機械應力測試對所得的圓柱形試樣進行評估。在軸向壓縮下，3D打印的植入物顯示出400 MPa的強度，而SEM圖像顯示的孔徑范圍為440至700 μm（在團隊的公差范圍內）。盡管尺寸為4（D）x 9.5mm（W）的樣品證明是自支撐的，但在早期設計過程中確實需要少量的材料增強。

考慮到他們的植入物顯示出與小梁骨相同水平的抗壓強度，科學家認為他們的方法是成功的。該小組打算在將來優(yōu)化他們的打印方法，并且出于這個目的，已經(jīng)將其中的十個原型發(fā)送到了動物測試機構。

陶瓷添加劑應用的增長

不僅在醫(yī)療行業(yè)，而且在電子和牙科領域，越來越多地將陶瓷用于具有增強性能的3D打印部件。材料噴射專家XJet與牙科公司Straumann合作，以提高其機器制造牙科產品的能力。通過使用XJet系統(tǒng)和陶瓷原料，Straumann的目標是減少花費在時間密集型后處理任務上的時間。

法國陶瓷技術轉讓中心已將nScrypt的工廠之一安裝在工具（FiT）機器中，作為3D打印電子產品的一種手段。利用他們的新系統(tǒng)，該團隊現(xiàn)在能夠在各種基板上保形地3D打印精細導線。

在其他地方，德國陶瓷增材制造公司StoneFlower3D開發(fā)了一種新的打印頭，用于在3D打印過程中處理粘土，混凝土和漿料。該設備旨在為臺式機用戶提供一種更容易獲得的陶瓷產品制造方法。

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