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性羟基磷灰石骨植体的3D打印研究

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羟基磷灰石是一种天然存在的矿物质,是牙釉质和骨骼的主要无机成分。在一篇名为“基于陶瓷3D打印过程的复杂骨骼设计优化”的论文中,一组研究人员描述了他们如何使用3D打印材料,研究不同参数的影响,最后3D打印骨植体。
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研究人员首先使用CELLINK的INKREDIBLE + 3D打印墨水3D打印几个立方体形状的支架。打印后,将样品干燥,烧结并冷却。使用卡尺拍摄支架的尺寸,并进行机械测试以测试支架的抗压强度。然后使用扫描电子显微镜分析样品,并进行微CT扫描以获得支架的非破坏性定性图像,并进行孔隙率计算、体积分数和各向异性程度的定量3D分析,最后进行案例研究。


“简要地说,重建了桡骨远端畸形愈合的CT扫描,并使用CT成像重建和设计了所需的临床缺损和移植物......从肘部到腕掌关节进行了研究,”研究人员说道。 “将DICOM文件导入医学图像处理软件......以分割CT图像并生成前臂骨骼的三维虚拟模型。 因此,进行虚拟截骨术以产生半径的角度和旋转不对齐的精确校正。
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使用Formlabs Form 2 3D打印机,使用透明树脂3D打印患者缺陷的3D模型。将缺陷移植物的CAD按比例放大以补偿烧结后的收缩,然后使用羟基磷灰石墨水进行3D打印。 烧结后,将植体粘在缺损内,并对整个构建体进行CT扫描。

研究人员在此过程中发现,烧结后的收缩率与填充密度成正比。
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他们解释说:“与100%填充密度相比,烧结后的平均外部体积小于50%,填充率为75%。” “......体积收缩和填充密度之间的这种关系可用于准确预测使用本研究中开发的HA油墨的3D打印几何形状的收缩水平。因此,我们可以在设计过程中可以使用这些信息来扩大几何形状,从而保持最终打印、烧结后工艺的准确性。”

各种参数,包括打印速度、挤出力度和油墨粘度,都有助于改善烧结前支架的孔隙率。从支架基质中除去粘合剂后,温度的升高导致颗粒振动并彼此靠近,从而降低孔隙率并增加稳定性。

“理解基于HA的3D打印结构烧结过程后三维几何收缩之间的关系,可以在设计文件和最终加工对象之间提供可预测的相关性,从而可以从术前CT扫描中打印出患者特异性骨缺损,”研究人员总结道。 “这项研究对临床应用的材料和3D设计过程优化具有重要意义。这种方式的骨移植生产很有可能减少自体移植需求并缩短手术时间,从而影响手术的总体结果和费用。”

论文作者:Roopavath Uday Kiran,Sara Malferrari,Annemieke Van Haver,Frederik Verstreken,Subha Naryan Rath和Deepak N. Kalaskar。

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