Singapur: Bioprinting 3D ze stopami magnezu w celu stworzenia rusztowań kostnych

Magnez jest stopem, który można stosować w druku 3D i produkcji addytywnej, jako biomateriał trzeciej generacji przydatny w inżynierii tkankowej; jednak, jak wskazują naukowcy, istnieje mnóstwo wyzwań. Problemem jest duże powinowactwo do tlenu i niska temperatura wrzenia, a także staranne rozważenie, które należy zastosować przy usuwaniu proszków magnezowych ze względu na możliwość reakcji z innymi substancjami chemicznymi.

Wysoka prężność pary może być główną przeszkodą w także przy użyciu magnezu, co doprowadziło naukowców do zbadania procesów AM w temperaturze otoczenia. Dzięki temu można cieszyć się wszystkimi zaletami druku atramentowego 3D w proszku, ponieważ można go stosować w temperaturze otoczenia, nie są wymagane żadne podpory, a proszek można w pełni poddać recyklingowi. Naukowcy stworzyli tutaj nową technikę druku 3D, w tym proces spiekania, który przekształca proszek magnezu i zielone obiekty w funkcjonalne części, które można wykorzystać w rusztowaniach, wytwarzając części o właściwościach mechanicznych tak silnych jak ludzka kość.

Zespół badawczy dostosował własną drukarkę atramentową 3D do tego badania, pracując nad pokonaniem wcześniejszych wyzwań związanych ze stosowaniem magnezu. Utrzymywanie zawartości procentowej tlenu na najniższym możliwym poziomie miało „ogromne znaczenie”:

„Oszczędzanie tlenu w zielonych obiektach na niskim poziomie wskazuje na obietnicę sformułowanego rozpuszczalnika dla AM stopów na bazie Mg” - stwierdzili naukowcy.

Zielone próbki z nadrukiem 3D nie wykazały żadnych zmian w składzie po procesie spiekania, co pozwoliło zespołowi wskazać, że oznacza to „proces składający się z sumy zerowej”. Ze zmianami temperatury, zarówno gęstość, jak i wpływ na stabilność. Naukowcy twierdzą, że precyzja wymiarowa jest kolejnym elementem o najwyższym znaczeniu i ma wpływ na odchylenia w druku. Pęcznienie może również powodować poważne problemy, powodujące utratę kształtu zadrukowanych obiektów, odnotowane przy podwyższonej temperaturze spiekania od 595 ° C do 610 ° C. Obrzęk może również zakłócać funkcjonalność komponentów.

Kontynuując badanie innych cech, naukowcy odkryli, że gęstość wzrasta wraz z temperaturą. Badając wpływ czasu utrzymywania na właściwości fizyczne i mechaniczne, odkryli również, że siła może być niska, chociaż gęstość stała się wysoka. Ogólnie jednak, aby pokonać wyzwania wymagane przy tworzeniu rusztowań, musi być obecna integralność mechaniczna, wraz ze zrównoważoną sztywnością isiła:

„Właściwości mechaniczne rusztowań mogą znacząco wpłynąć na zachowanie komórek i osteointegrację między tkankami gospodarza a rusztowaniem; przedwczesne zapadnięcie się ubytków kostnych podchrzęstnych może wystąpić, jeśli rusztowanie zapewnia więcej niż wystarczające podparcie mechaniczne - powiedział naukowcy. „W związku z tym sztywność i wytrzymałość rusztowań powinna być modulowana tak, aby odpowiadała sztywności tkanek gospodarza, aby uniknąć pooperacyjnych efektów ekranowania naprężeń i promować regenerację tkanek.”

Zdrowe rusztowania wykazują dobry procent porów, wielkość, i kształt, oferujący osteointegrację, transport składników odżywczych, wzrost tkanki i usuwanie produktów odpadowych. Przy tych wszystkich ilorazach w kolejności możliwa jest regeneracja tkanki kostnej.

„Stopy na bazie Mg klasyfikowane są jako trzecia generacja biomateriałów, jeśli chodzi o wyniki kliniczne, a po spiekaniu bezspoinowa 3D część Mg po spiekaniu może zapewniają porównywalne właściwości z kością ”, stwierdzili naukowcy.

W swoim artykule naukowcy wyjaśniają więcej na temat struktury ludzkiej kości korowej, hierarchicznej„ organizacji ”trzech rozmiarów obejmującej:

< p> Zagadnienia porowatości można rozwiązać, ponieważ w 3D powstają większe pory, aby skompensować wymagany procent, a tym samym uszlachetnić rusztowanie dla lepszej inżynierii tkankowej z kością.

„Zwiększenie czasu trzymania z 5h do 20, 40 i 60h przy optymalnej temperaturze spiekania 573 ° C pozwoliło na stałą poprawę mikrostrukturalnych, fizycznych i mechanicznych właściwości dla każdego dodatkowego czasu przetrzymywania, unikając niepożądanej utraty wymiarów. Uzyskano połączone struktury porowate o pozornej porowatości 29%, średniej wielkości porów 15 μm, wytrzymałości na ściskanie 174 MPa i module sprężystości 18 Gpa - podsumowali naukowcy. „Te wartości są dobrze porównywalne z tymi obserwowanymi dla ludzkich typów kości korowych.”