SỰ PHÁT TRIỂN CỦA PHƯƠNG PHÁP IN 3D ẤN TƯỢNG XƯƠNG GỐM CÁ NHÂN

Ngày tạo: 19/11/2020 4:19:37 CH

Các nhà khoa học từ Viện Khoa học và Công nghệ Skolovo (Skoltech) đã phát triển một phương pháp mới để cấy ghép xương gốm cá nhân hóa in 3D.

Trong quá trình nghiên cứu của mình, nhóm đã triển khai phương pháp tiếp cận dựa trên mô phỏng để tạo ra các mô hình 3D linh hoạt, không có sai sót để tạo cơ sở cho việc cấy ghép phụ gia của họ. Các nhà nghiên cứu đã tối ưu hóa các thiết kế này để có các lỗ chân lông lớn, có thể được tùy chỉnh để phù hợp với nhu cầu của các bệnh nhân cụ thể và giúp chúng kết hợp với mô hữu cơ dễ dàng hơn.

Evgenii Maltsev, một trong những đồng tác giả của bài báo, cho biết “Mô hình biểu diễn chức năng (FRep) của các cấu trúc vi mô có rất nhiều lợi thế. “FRep luôn đảm bảo rằng mô hình kết quả là chính xác, trái ngược với cách biểu diễn đa giác truyền thống trong các hệ thống CAD, trong đó các mô hình có thể có các vết nứt hoặc các mặt rời rạc.”

Các bộ phận cấy ghép của nhóm có cấu trúc xốp có thể được điều chỉnh để phù hợp với nhu cầu của từng bệnh nhân. Hình ảnh qua Pavel Odinev, Skoltech.

Khai thác tiềm năng của gốm sứ

Gốm sứ sở hữu một số đặc tính như chống mài mòn và ổn định hóa học, khiến chúng trở nên lý tưởng để in 3D bất kỳ thứ gì từ dụng cụ đến sản phẩm nha khoa. Mặc dù vậy, trong khi sản xuất phụ gia cũng đã được áp dụng trong các ứng dụng cấy ghép, gốm sứ ít được sử dụng hơn trong lĩnh vực này với các hợp kim và polyme chứa nhiều tế bào thường được ưu tiên hơn.

Ví dụ, các nhà nghiên cứu tại TU Delft đã phát triển giàn giáo tái tạo dựa trên magiê, trong khi một nghiên cứu của Charité – Universitätsmedizin Berlin cho thấy Titanium là cơ sở vật liệu tối ưu. Trong một diễn biến khác, các nhà khoa học Nhật Bản từ Đại học Nagasaki và Đại học Saga, đã tạo ra một cấu trúc khí quản hình ống 3D hoàn toàn không có giá đỡ sinh học.

Trong khi đó, các nhà khoa học Skoltech xác định độ xốp là yếu tố quan trọng đối với sự tăng sinh của tế bào sau phẫu thuật và thu hẹp 'kích thước lỗ chân lông tối ưu' xuống còn từ 390 đến 590 µm. Việc đạt được mức độ chính xác này tỏ ra khó khăn khi sử dụng các nguyên liệu thô hiện có, vì độ xốp thấp của chúng cản trở sự phát triển của các mô, mạch máu và các ống dẫn chất dinh dưỡng khác.

Hiện tại, các chất phụ gia tạo bọt và cháy được sử dụng để khắc phục những hạn chế này, nhưng nhóm nghiên cứu đưa ra giả thuyết rằng in 3D sẽ cung cấp một nền tảng tốt hơn để tạo ra các cấu trúc macroporous. Do việc sản xuất phụ gia cho phép sản xuất các bộ phận có độ xốp có thể kiểm soát được, công nghệ này có tiềm năng in các bộ phận cấy ghép có thể tùy chỉnh với cấu trúc phù hợp.

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng một máy SLA để in 3D các bộ phận cấy ghép bằng gốm của họ (trong hình), sau đó là các bước gắn kết và nung kết. Hình ảnh trên tạp chí Khoa học Ứng dụng.

Phương pháp in 3D được tối ưu hóa FRep của nhóm

Để phát triển một phương pháp chế tạo cấy ghép cho phép người dùng nhanh chóng cá nhân hóa từng mảnh ghép xương, các nhà khoa học đã áp dụng phương pháp tạo mô hình FRep. Về cơ bản, FRep có một cách tiếp cận mô hình hóa tiềm ẩn hơn, cho phép nó tái tạo các hình dạng phức tạp với cấu trúc vi mô xốp, tế bào và không đều.

So với các mô hình dựa trên CAD, nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng FRep mang lại các thiết kế chính xác và không có lỗi, linh hoạt hơn để điều chỉnh. Để kiểm tra xem các mô hình của họ sẽ hoạt động như thế nào trong điều kiện sử dụng cuối cùng, các nhà khoa học đã sử dụng một máy in SLA để xử lý một loại bột nhão bao gồm chất kết dính đa thành phần và bột gốm.

Sau quá trình in, các bộ phận ‘xanh’ được nung trong lò để loại bỏ chất kết dính nhựa, và thiêu kết thành hình dạng cuối cùng với các đặc tính được xác định trước bằng hệ thống SLS. Sau đó, nhóm nghiên cứu đánh giá các mẫu hình trụ bằng kính hiển vi SEM và các thử nghiệm ứng suất cơ học khác nhau.

Dưới sự nén dọc trục, các mô cấy in 3D cho thấy cường độ 400 MPa, trong khi hình ảnh SEM cho thấy kích thước lỗ trong khoảng từ 440 đến 700 µm (trong phạm vi dung sai của nhóm). Mặc dù các mẫu thử, có kích thước 4 (D) x 9,5mm (W), được chứng minh là có khả năng tự chống đỡ, chúng yêu cầu gia cố vật liệu nhỏ trong quá trình thiết kế ban đầu.

Cho rằng việc cấy ghép của họ cho thấy mức độ chịu nén tương đương với xương ngoài, các nhà khoa học coi cách tiếp cận của họ là một thành công. Nhóm nghiên cứu dự định sẽ tối ưu hóa phương pháp in của họ trong tương lai và mười nguyên mẫu của họ đã được gửi tới một viện để thử nghiệm trên động vật với mục tiêu này.

Các ứng dụng phụ gia ngày càng tăng của gốm sứ

Gốm sứ ngày càng được sử dụng cho các bộ phận in 3D với các đặc tính nâng cao, không chỉ trong ngành y tế, mà cả ngành điện tử và nha khoa.

Chuyên gia sản xuất vật liệu XJet đã hợp tác với công ty nha khoa Straumann để nâng cao khả năng sản xuất các sản phẩm nha khoa của máy móc của họ. Sử dụng cả hệ thống XJet và nguyên liệu thô làm từ gốm, Straumann nhằm mục đích giảm thời gian dành cho các tác vụ xử lý hậu kỳ đòi hỏi nhiều thời gian.

Trung tâm Chuyển giao Công nghệ của Pháp tại Gốm sứ đã lắp đặt một trong các máy nScrypt’s Factory in a Tool (FiT) làm phương tiện điện tử in 3D. Tận dụng hệ thống mới của họ, nhóm hiện có thể in 3D các đường dẫn điện tốt phù hợp trên các chất nền khác nhau.

Ở những nơi khác, công ty sản xuất phụ gia gốm của Đức StoneFlower3D đã phát triển một đầu in mới để xử lý đất sét, bê tông và bột nhão trong quá trình in 3D. Thiết bị được thiết kế để cung cấp một phương pháp chế tạo sản phẩm gốm dễ tiếp cận hơn cho những người có máy tính để bàn.

Các phát hiện của các nhà nghiên cứu được trình bày chi tiết trong bài báo của họ có tiêu đề “Thiết kế và chế tạo cấy ghép xương bằng gốm có hình dạng phức tạp thông qua in 3D dựa trên kỹ thuật in lập thể Laser”. Nghiên cứu được đồng tác giả bởi Alexander Safonov, Evgenii Maltsev, Svyatoslav Chugunov, Andrey Tikhonov, Stepan KonevOrcID, Stanislav Evlashin, Dmitry Popov, Alexander Pasko và Iskander Akhatov.

Nguồn: 3dprintingindustry

---

Tags: artec eva artec scanner artec 3d scanner artec spider artec eva 3d scanner artec 3d scanner price artec eva price artec eva scanner artec spider scanner artec eva 3d artec eva 3d scanner price artec 3d spider artec spider 3d scanner price máy quét artec máy quét 3d cầm tay máy quét 3D máy scan mini artec máy scan artec máy scan cầm tay máy scan 3d