溶剂浇铸3D打印多孔镁合金支架,可用于骨缺损治疗

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2020年9月14日,南极熊获悉,荷兰代尔夫特理工大学的研究人员发现,3D打印的可生物降解镁支架,在骨缺损再生中可能会有很好的应用。

研究人员认为,所使用的溶剂浇铸3D打印(SC-3DP)方法,对于镁基多孔支架的制造具有 "前所未有的可能性"。

本研究的参与者,代尔夫特生物力学系的Amir Zadpoor教授说:"镁基材料一直被认为是一类新的有前景的生物材料,在骨科应用中,它可以在体内逐渐降解,同时,刺激骨再生,帮助骨缺损的愈合过程,因此,制造多孔镁植入物正引起越来越多的关注。"

△镁支架的打印试验结果,图片来源于《Solvent-cast 3D printing of magnesium scaffolds》/Acta Biomaterialia


生物材料在骨科中的应用

最近,有些大学的研究团队开始使用3D打印技术制造镁基材料,选择性激光熔化(SLM)是常用的方法之一。然而,使用这种技术的成功率不高,因为镁具有高可燃性,而且最终生产的部件中会有不理想的成分变化,会带来操作安全方面的挑战。

当然,也有一些其他的尝试,比如使用粉末床喷墨3D打印和熔融堆积制造(FFF)技术,然后再进行脱脂烧结,以替代SLM技术。然而,利用这些技术来制造拓扑有序的多孔Mg支架还没有被报道。

Zadpoor表示:"由于镁粉在高激光能量下的高可燃性,安全性是镁支架制造过程中遇到的首要挑战。"

瑞士苏黎世联邦理工学院的研究人员,开发了一种基于增材制造的方法,利用3D打印的盐模板,制造出具有规则孔隙度的镁支架。虽然这项工作在公布时只是一个概念验证,但研究人员认为这些镁支架有可能创造出可生物吸收的骨植入物。

△苏黎世联邦理工学院研究人员3D打印的盐模板结构(中)


SC-3DP研究

代尔夫特理工大学研究人员,提出了一种基于室温挤出的增材制造方法,即SC-3DP,以制造拓扑有序的多孔镁支架,制造过程由三个步骤组成:

第一阶段:制备具有所需流变特性的镁粉负载油墨,流变特性是指材料在施加的应力下变形或流动的方式。
第二阶段:墨水与由聚合物或挥发性溶剂组成的粘结剂混合在一起,通过喷嘴挤出,并打印成0°/90°/0°层的支架。
第三阶段:去除油墨中的粘结剂,通过液相烧结策略进行脱胶和烧结。

△镁支架的制造步骤和设计结构示意图


对制备的油墨进行流变分析,镁粉负载量分别为54%、58%和62%,揭示了支架的粘弹性特性。粘弹性是指材料在发生变形时,同时表现出粘性和弹性的特性。

支架的热重分析(TGA)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、碳硫分析和扫描电子显微镜(SEM)也进行了分析,表明脱胶和烧结可能在一个步骤中完成。

最终支架具有较高的孔隙率,含有层次分明且相互连接的孔隙。研究人员首次证明SC-3DP技术可成功制造镁基多孔支架,并具有作为骨替代材料的潜力。

研究结果的意义

骨缺损的再生一直是现代医学的临床难题,通常需要骨移植材料。此前,科学家们已经使用生物惰性钛和PEKK等材料3D打印植入物。然而,这些金属往往需要第二次手术进行植入物取出。此外,现有的移植物和合成生物材料并不能满足所有的临床要求,需要开发新一代合适的骨替代品。

近年来,镁基生物降解金属被认为是这类骨科应用的希望,它们同时具备骨缺损再生所需的机械和生物特性。此外,增材制造技术为制造多孔镁支架提供了更大的设计、制造灵活性和效率。

特别是SC-3DP方法,与其他3D打印技术相比,在材料、技术和结构上具有很大的优势。包括:在常温条件下进行3D打印,墨水的组分易于调整,设备投资低,并有可能制造出具有层次孔隙和所需合金成分的复杂结构。

SC-3DP方法在钢、铁、钛基和镍基微桁架的增材制造中也是可行的。


△(a)3D打印的样品,(b)在650℃下烧结5分钟的样品,(c)从μCT图像重建的烧结样品

更多的研究细节可参见发表在《Acta Biomaterialia》杂志上的题为 "Solvent-cast 3D printing of magnesium scaffolds "的文章。该文章由J. Dong、Y. Li、P. Lin、M.A. Leeflang、S. van Asperen、K. Yu、N. Tümer、B. Norder、A.A. Zadpoor和J. Zhou共同撰写。

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本文作者2020-9-18 16:41
镁途
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