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看可以維持一生的3D打印鈦骨科植入物如何實現?

來源:太原市奧藍電子科技有限公司 時間:2020-09-15 18:20:20 瀏覽量:
如果把比骨骼更為堅硬的材料植入人體,那么更為堅硬的植入物材料將承擔更大的應力,而骨骼承擔的應力減少,這種現象會到導致人體骨組織體積和密度逐漸下降,從而導致骨折或植入物松動。初始的松動將導致磨損以及進一步的松動,最終導致植入物失敗。

那么有沒有一次性解除患者痛苦,植入一次可以用一生的植入物呢?

用于醫學測試的小型增材制造的Ti6Al4V植入物。

合金改變力學和生物性能

骨科植入物徹底改變了數百萬人的生活,取代了磨損或損壞的關節。但是,即使是最先進的鈦植入物,其使用壽命也很有限,植入物會失去與骨骼的附著力,從而導致疼痛并限制患者的活動能力。

制造商在不斷探索出各種策略來延長植入物的壽命,包括使用不同的材料,尤其是具有模仿骨骼特性,表面功能化的材料,以及輸送活性劑以促進骨骼生長和抵御感染的材料。因此,理想的植入物需要具有多種功能才能持續一生。

圖片:骨科植入物市場細分。

盡管整形外科植入物通常非常成功,但許多患者仍面臨主要并發癥:植入物相關感染和植入物松動。隨著許多患者在60歲之后首次接受植入物,并且患者的預期壽命增加,這是未來植入物的主要問題。

根據3D科學谷的市場觀察,荷蘭代爾夫特理工大學開發了一種新的鈦植入物。研究人員認為,通過3D打印多孔鈦植入物并且進行表面改性可以預防這些并發癥等,該團隊使用合理的設計原理和增材制造技術,在醫學級鈦合金中創建了有序互連的多孔微結構,非常適合骨骼的生長。

圖片:創建更理想的鈦植入物。

增材制造可以輕松制造不同形狀和尺寸的定制植入物。與固體植入物相比,多孔結構的表面積增加了三倍,因此表面功能化更加有效,既可以刺激干細胞分化為骨(或成骨細胞),又可以防止細菌感染。

根據3D科學谷的了解,骨骼是一種活體材料,根據沃爾夫定律(Wolff’s Law),人體骨骼將根據它所承受的負荷進行重塑,在負荷減少的情況下,骨骼會逐漸失去骨量,或者可能發生骨吸收,引起骨折、脫位、松動。

3D打印植入物多孔表面的模量低于常規植入物,所以金屬植材料和骨骼之間的剛度差異會減小,這使得植入物與骨骼之間能夠更好的“貼合”,并實現有效的骨整合。

應力屏蔽是指當兩種模量不同的材料放在一起使用時,模量大的材料承擔更大的應力。以常見的植入物制造材料鈦合金為例,當該材料被移植入體內,由于鈦合金的模量遠大于人體骨骼的模量,所以鈦合金承擔更多的應力作用,這將不利于新骨的生長。

根據3D科學谷的市場觀察,代爾夫特理工大學的研究人員進行了表面改性,即等離子體電解氧化(PEO)[1],將鍶和銀納米顆粒摻入高度多孔植入物的表面。

銀納米顆粒具有抗菌作用是久為人知的發現,不過研究小組發現鍶離子可增強這種作用,鍶離子被添加以對抗骨質疏松癥并促進長期骨骼的形成和吸收。而且,該組合還對已經對常規抗生素產生抗性的細菌菌株例如耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(MRSA)[2]有效。

研究人員發現了銀和鍶之間出乎意料的協同抗菌行為,但可能會促進生產更堅固的抗菌植入物,從而將感染機會降到最低?;颊呖赡軙臋C械優化的植入物和表面特性中受益,這將有助于延長植入物的壽命。

名詞解釋:
[1] PEO是Plasma electrolytic oxidation的簡稱,即等離子體電解氧化,是用于在金屬表面產生金屬氧化物涂層的電化學表面處理過程。這個過程可以用來生長厚達幾十或幾百微米的氧化物涂層,這些氧化物涂層基本上是結晶性的,如鋁,鎂和鈦這樣的金屬的氧化物涂層。

[2] 耐甲氧西林金黃色葡萄球菌是臨床上常見的毒性較強的細菌,自從上世紀40年代青霉素問世后,金黃色葡萄球菌引起的感染性疾病受到較大的控制。但隨著青霉素的廣泛使用,有些金黃色葡萄球菌產生青霉素酶,能水解β-內酰胺環,表現為對青霉素的耐藥。

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