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澳大利亚的研究人员涂覆金刚石的3D打印钛植入物

来源:ZOL中关村在线

时间2018-04-16

超硬材料 3D打印

摘要:3D打印的理念,形成于19世纪,相关技术在20世纪逐渐变为现实,到了21世纪,才真正意义上获得应用和推广。在整个医学领域里,由于骨科的专业特点,与3D技术特点吻合度较高,3D打印在骨科专业范围内的应用较早,也被推动得较快。

    3D打印的理念,形成于19世纪,相关技术在20世纪逐渐变为现实,到了21世纪,才真正意义上获得应用和推广。在整个医学领域里,由于骨科的专业特点,与3D技术特点吻合度较高,3D打印在骨科专业范围内的应用较早,也被推动得较快。

3D打印骨骼图片

    近日,澳大利亚研究人员使用金刚石的特性对3D打印材料在医学领域取得了突破性进展,人体接受生物医学植入物的方式可能得到改善。来自皇家墨尔本理工大学的研究人员首次成功地涂抹了带有金刚石的3D打印钛植入物。
    这是3D打印金刚石植入物用于生物医学和骨科的第一步,涉及人体肌肉骨骼系统的外科手术。尽管钛可为医疗级别和患者特定的植入物提供快速、准确和可靠的材料,但我们的身体有时会拒绝使用此材料。这是由于钛上的化合物,阻止组织和骨有效地与生物医学植入物相互作用。人造金刚石为这个问题提供了一个物美价廉的解决方案。

空心3D打印钛立方体正加热覆上钻石涂层

    RMIT研究使用实验植入物是个空心立方体,采用选择性激光熔融技术(SLM)和钛3D打印。打印完成后再用化学气相沉积法在植入物表面覆上钻石涂层,这层工艺要求温度超过1000℃。研究人员使用超分散金刚石(DNDs)作为钻石涂层的材料,DND这种材料是由TNT和RDX的爆炸性混合物合成制成。据说,DNDS这种材料“比钛粉便宜”,且适用于3D打印植入物。
    涂层是通过微波等离子体工艺在墨尔本纳米制造中心制造的。钛支架与金刚石相结合,形成生物材料。这项技术推出还需要好几年的时间,但我们所做的这是第一步,在病人可以使用之前,还需要采取很多步骤,这是一次漫长而不可思议的结果中的关键一步。
    将带有金刚石涂层的立方体和普通钛植入物分别植入哺乳动物细胞,并保持在模拟体液中生物活性的条件下,两种不同植入物进行比较。带有涂层的植入物不仅促进了更好的细胞附着到下面的金刚石钛层,而且促进哺乳动物细胞的增殖。金刚石增强活骨和人造植入物之间的整合性,并减少长时间的细菌附着。

3D打印的带有钻石涂层的植入物表面

    金刚石作为3D打印材料是非常有效的,因为碳是人体的主要组成部分。碳具有与人体令人难以置信的生物相容性,我们的身体很容易接受金刚石,并将其作为复杂材料界面的平台。
   目前,医疗骨科方面3D打印技术制造的人工椎体,使用的材料是钛合金,在枢椎部位第一和第三椎体之间放入3D打印人工椎体,并用钛合金螺钉将其固定,应用3D打印的人工定制枢椎,作为脊椎外科内植物,进行脊椎肿瘤治疗以后的稳定性重建的。
    人体的脊椎骨骼形状非常不规则,传统的制造手段植入后只能做到部分贴合,牢固性也大打折扣。植入之后可能出现的松动,在脊柱和神经密切相关的部位,一点松动就能给病人带来极大的痛苦,所以即便手术完成了,但在日后的康复中会遇到很多问题。
   而3D打印技术,在医学上尤其是骨科内植物领域,3D打印技术使用的材料,是与人体高度相容的钛合金,这样就可以用3D技术,打印出与病人解剖结构高度一致的钛合金植入物了。

3D打印骨骼模型

    还有一个好处是,人类的骨骼是有孔隙的,这些孔隙为骨细胞的生长提供了空间,3D打印的人工植入物,完全可做成与骨组织相似的孔隙,这就为骨细胞的生长提供了可能,促进真骨与人工植入物的融合,在牢固性上有极大的优势。

    除了骨科外,金刚石还被用于包覆心血管支架,帮助保持心脏动脉畅通的导管和仿生学和假肢。目前,传统的血管支架,一般是金属的,制造工艺是通过激光雕刻,就是把很薄的金属圆管切割雕刻成想要的结构与形状,就可以得到血管支架。金属支架目前占据全球血管支架的95%以上。但是金属血管支架不能降解,植入人体后患者需要长期服用抗凝药,并且永久性的金属支架还会引起其他副作用,包括远期支架内再狭窄与疲劳断裂等。

3D打印血管支架

    而采用全降解血管支架则会克服金属支架的缺点。3D打印的血管支架的支架杆的截面是圆形的,而激光切割出来的血管支架,其支架杆的截面积是长方形的。因此在同样支架杆厚度的情况下,圆形支架杆具有更小的截面积,其在体内的降解速度会更快。
    3D打印是现代一场突破性的革命。通过3D打印,我们可以设计出特定的医学级植入体。该技术快速、准确、可靠,省力。3D打印的扩展性正在迅速增长,因此我们可以预见,在不久的将来,金刚石涂层将在骨科中变得越来越普遍。
    金刚石是自然界存在的特殊材料之一,具有最高的硬度、低摩擦系数、高弹性模量、高热导、高绝缘、宽能隙、高的声传播速率以及良好的化学稳定性等。虽然天然金刚石具有这些独一无二的特性,但是它们一直仅仅是以宝石的形式存在,其性质的多变性和稀有性极大地限制了其应用。


关键词: 超硬材料 3D打印

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