論文：溶劑澆鑄3D打印多孔鎂合金支架，可用于骨缺損治療

2020年9月14日，南極熊從外媒獲悉，荷蘭代爾夫特理工大學的研究人員發(fā)現(xiàn)，3D打印的可生物降解鎂支架，在骨缺損再生中可能會有很好的應用。

研究人員認為，所使用的溶劑澆鑄3D打?。⊿C-3DP）方法，對于鎂基多孔支架的制造具有 "前所未有的可能性"。

本研究的參與者，代爾夫特生物力學系的Amir Zadpoor教授說："鎂基材料一直被認為是一類新的有前景的生物材料，在骨科應用中，它可以在體內(nèi)逐漸降解，同時，刺激骨再生，幫助骨缺損的愈合過程，因此，制造多孔鎂植入物正引起越來越多的關(guān)注。"

△鎂支架的打印試驗結(jié)果，圖片來源于《Solvent-cast 3D printing of magnesium scaffolds》/Acta Biomaterialia

生物材料在骨科中的應用

最近，有些大學的研究團隊開始使用3D打印技術(shù)制造鎂基材料，選擇性激光熔化（SLM）是常用的方法之一。然而，使用這種技術(shù)的成功率不高，因為鎂具有高可燃性，而且最終生產(chǎn)的部件中會有不理想的成分變化，會帶來操作安全方面的挑戰(zhàn)。

當然，也有一些其他的嘗試，比如使用粉末床噴墨3D打印和熔融堆積制造（FFF）技術(shù)，然后再進行脫脂燒結(jié)，以替代SLM技術(shù)。然而，利用這些技術(shù)來制造拓撲有序的多孔Mg支架還沒有被報道。

Zadpoor表示："由于鎂粉在高激光能量下的高可燃性，安全性是鎂支架制造過程中遇到的首要挑戰(zhàn)。"

瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院的研究人員，開發(fā)了一種基于增材制造的方法，利用3D打印的鹽模板，制造出具有規(guī)則孔隙度的鎂支架。雖然這項工作在公布時只是一個概念驗證，但研究人員認為這些鎂支架有可能創(chuàng)造出可生物吸收的骨植入物。

△蘇黎世聯(lián)邦理工學院研究人員3D打印的鹽模板結(jié)構(gòu)（中）

SC-3DP研究

代爾夫特理工大學研究人員，提出了一種基于室溫擠出的增材制造方法，即SC-3DP，以制造拓撲有序的多孔鎂支架，制造過程由三個步驟組成：

第一階段：制備具有所需流變特性的鎂粉負載油墨，流變特性是指材料在施加的應力下變形或流動的方式。
第二階段：墨水與由聚合物或揮發(fā)性溶劑組成的粘結(jié)劑混合在一起，通過噴嘴擠出，并打印成0°/90°/0°層的支架。
第三階段：去除油墨中的粘結(jié)劑，通過液相燒結(jié)策略進行脫膠和燒結(jié)。

△鎂支架的制造步驟和設(shè)計結(jié)構(gòu)示意圖

對制備的油墨進行流變分析，鎂粉負載量分別為54%、58%和62%，揭示了支架的粘彈性特性。粘彈性是指材料在發(fā)生變形時，同時表現(xiàn)出粘性和彈性的特性。

支架的熱重分析(TGA)、傅里葉變換紅外光譜(FTIR)、碳硫分析和掃描電子顯微鏡(SEM)也進行了分析，表明脫膠和燒結(jié)可能在一個步驟中完成。

最終支架具有較高的孔隙率，含有層次分明且相互連接的孔隙。研究人員首次證明SC-3DP技術(shù)可成功制造鎂基多孔支架，并具有作為骨替代材料的潛力。

研究結(jié)果的意義

骨缺損的再生一直是現(xiàn)代醫(yī)學的臨床難題，通常需要骨移植材料。此前，科學家們已經(jīng)使用生物惰性鈦和PEKK等材料3D打印植入物。然而，這些金屬往往需要第二次手術(shù)進行植入物取出。此外，現(xiàn)有的移植物和合成生物材料并不能滿足所有的臨床要求，需要開發(fā)新一代合適的骨替代品。

近年來，鎂基生物降解金屬被認為是這類骨科應用的希望，它們同時具備骨缺損再生所需的機械和生物特性。此外，增材制造技術(shù)為制造多孔鎂支架提供了更大的設(shè)計、制造靈活性和效率。

特別是SC-3DP方法，與其他3D打印技術(shù)相比，在材料、技術(shù)和結(jié)構(gòu)上具有很大的優(yōu)勢。包括：在常溫條件下進行3D打印，墨水的組分易于調(diào)整，設(shè)備投資低，并有可能制造出具有層次孔隙和所需合金成分的復雜結(jié)構(gòu)。

SC-3DP方法在鋼、鐵、鈦基和鎳基微桁架的增材制造中也是可行的。

△(a)3D打印的樣品，(b)在650℃下燒結(jié)5分鐘的樣品，(c)從μCT圖像重建的燒結(jié)樣品

更多的研究細節(jié)可參見發(fā)表在《Acta Biomaterialia》雜志上的題為 "Solvent-cast 3D printing of magnesium scaffolds "的文章。該文章由J. Dong、Y. Li、P. Lin、M.A. Leeflang、S. van Asperen、K. Yu、N. Tümer、B. Norder、A.A. Zadpoor和J. Zhou共同撰寫。

編譯自：3dprintingindustry