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研究人员通过3D打印复合材料修复骨折

文章来源:吉利彩票人气:536发表时间:2019-07-11 17:50:31

  随着3D打印技术的飞速发展,3D打印技术的用途也越来越广泛。近日研发人员研究出一种适用于3D打印修复骨折的PLA/PCL复合材料及其制备方法,并发表了论文《添加制造的磷酸盐玻璃颗粒/纤维增强多聚物的机械性能和体外降解行为 》。

  骨再生是3D打印和增材制造是内固定是骨折愈合中最常见的做法之一。随着诸如骨固定板,螺钉,销和髓内杆的装置的植入,骨折的骨块被保持在一起,稳定数周,因此骨骼的再生发生,最终导致骨折的结合。材料特性和设计固定设备至关重要,植入物必须是生物相容的,生物降解性将消除在完成愈合后移除植入物的手术的需要。

  在创建使用PTC Creo Parametric设计的模型后,测试材料的合适机械性能以及体外降解行为,然后将其导入Simplify3D,并用3D打印机打印出PG / PLA复合材料。由于能够制造复杂的几何形状,研究人员还可以控制生物打印和组织工程目的的孔隙度。

  在这项研究中,PG / PLA复合材料是通过熔融沉积成型(FDM)制造的,并且表征了弯曲力学性能以及体外降解行为。用PLA进行比较,并且用不同载量的PG颗粒(PGP)以及具有不同几何形状的增强物[PGP或研磨的磷酸盐玻璃纤维(PGF)]增强的PLA。最终目的是评估添加制造的复合材料作为断裂固定板。

  在这个研究项目中,研究人员还进行三点弯曲试验、体外降解、pH值检查、动态力学分析、纤维长度和激光粒度分析等。



  FDM制造的PLA,PGP / PLA和PGF / PLA复合材料的初始弯曲性能。误差线代表标准偏差。显着性标记为:*(p <0.05,n = 5),**(p <0.01,n = 5)黑色(强度)和红色(模量)。

  在继续与PLA标本进行比较时,作者注意到以下情况:

  ● 改善弯曲模量

  ● 弯曲强度降低

  ● 减少断裂应变

  ● 增加PGP负载的强化效果


(FDM制造的PLA,PGP / PLA和PGF / PLA复合材料的三点弯曲试验的典型应力 - 应变曲线)


  研究人员指出,脆化和强度降低与应力集中和低界面强度有关。这里可能通过掺入具有尖角的颗粒来增强应力集中效应。随着填料负荷的增加,应力集中点也增加,导致强度降低更明显,对失效应变的影响也相同。

  平均纤维长度为54μm,纤维长度的中值和模式甚至更低。与真正的皮质骨相比,研究人员注意到PGF 10复合材料是“近似的”,尽管发现弯曲模量相当低。

  研究人员还表示,刚度匹配被认为是骨固定植入物的'黄金标准',因为具有这种机械性能的固定植入物坚固且足够坚硬,不会导致”应力屏蔽“。因此,可能有必要考虑使用更高/更长的纤维负载来进行此类应用。

  据研究人员所说,连续PGF / PLA复合材料更适合于承重固定 - 与连续纤维相关的特征导致刚度。然而,这些材料的弯曲模量在降解28天后降低了约80%。在56天的降解期后,PGF 10复合材料损失约30%的初始弯曲模量。快速弯曲模量可能是纤维末端暴露在降解介质中的结果。

  基于对初始机械性能和生产具有所需几何形状的复合材料的设施的直接考虑,PG / PLA复合材料的增材制造在制造用于骨骼的患者特异性固定植入物方面具有良好的潜力,其对负荷的需求低例如,颧骨,踝关节和上颌骨。


(原始PLA抛光/原始断裂表面的SEM图像(a,b); PGP 10(c,d); PGP 20(e,f); 和PGF 10(g,h)复合物)


(PLA原始断裂面的SEM图像(a,b); PGP 10(c,d); PGP 20(e,f); 和PGF10(g,h)在37℃下在PBS中降解28/56天)


(SEM图像显示在第56天捕获的PGP(a)和PGF(b)融合成赘肉)


  早在之前就有报道指出过这些骨骼使用基于PLA的可生物降解固定装置可成功修复骨折,与单独的PLA相比,PGF在提高复合材料的弯曲模量方面更有效,并且PGF的降解释放镁,钙和磷酸盐以上调骨再生。此外,FDM工艺允许直接构建具有定制几何形状的固定植入物,并且可以在操作期间消除对用于解剖学配合的植入物的轮廓的需要。

  来源:创想三维 

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