שתלים רפואיים מודפסים בתלת מימד מותאמים אישית הופכים נפוצים יותר, ומחקר חדש לקח את הטכנולוגיה הזו לשלב הבא. חוקרים ב Naton Biotechnology פיתחו את השתלת הברך המודפסת בתלת מימד הלייזר הראשון בעולם, שקיבלה אישור רשמי של המינהל הלאומי למוצרים רפואיים בסין כמכשיר רפואי חדשני.
המחקר התמקד בשיפור הכוח והעקביות של שתלי סגסוגת קובלט-כרום-מוליבדן (COCRMO) המיוצרים באמצעות היתוך מיטת אבקת לייזר (LPBF), תהליך הדפסת תלת מימד. הצוות גילה ותוקן חוסר עקביות במבנה החומר על ידי אופטימיזציה של טיפול בחום, והבטיח שהשתלים הסופיים הם חזקים יותר, אמינים ובטוחים יותר עבור חולים.
מחקר זה מספק תובנות עיקריות לגבי האופן בו הדפסת תלת מימד משפיעה על שתלי מתכת ומניח את הבסיס לבקרת איכות טובה יותר בייצור אורטופדי, ועוזרת לקדם את עתיד השתלים הרפואיים המותאמים אישית.
מחקר זה הובל על ידי פרופסור צ'אנגוי שיר מאוניברסיטת דרום סין לטכנולוגיה ופרופסור ג'יה-קו יו מבית החולים בבייג'ינג צינגהא צ'אנגגונג ככותבים משותפים. המחקר נערך בשיתוף פעולה עם המהנדס הבכיר רניאו לי מ- Naton Biotechnology (בייג'ינג) Co., Ltd וחברי הצוות אחרים.
הבעיה: כוח לא אחיד בשתלי מתכת מודפסים בתלת מימד
תהליך הייצור של שכבה אחר שכבה של COCRMO, חומר שתל בשימוש נרחב, מתרחש בשיעורי קירור גבוהים במיוחד (~ 10⁵-10⁶ k/s). התמצקות מהירה זו מובילה לעתים קרובות לאניסוטרופיה, כלומר תכונות החומר משתנות בהתאם לכיוון הכוח. הגורמים העיקריים כוללים מבני תבואה עמודים, נקבוביות ולחץ שיורי, כולם טבועים בייצור תוספים.
אמנם נערך מחקר נרחב על סגסוגות CoCRMO המוגבלות על ידי LPBF, אך מרבית המחקרים בדקו רק את ביצועיהם בכיוון יחיד, ומשקיפים על האופן בו אניסוטרופיה משפיעה על העמידות הכללית. עם זאת, שתלים בגוף האדם חייבים לעמוד בכוחות מכיוונים מרובים. ואז, אם כוחו של החומר אינו עקבי, כתמים חלשים יכולים להתפתח, מה שמגדיל את הסיכון לשבירה או כישלון.
בבדיקות מכניות, דגימות COCRMO נמתחו באופן משמעותי יותר בכיוון אחד (התארכות של 19.1%) מאשר באחר (התארכות של 9.3%)-פער של מעל 100%. חוסר עקביות זה הופך את החומר לא אמין לשימוש רפואי לטווח הארוך, מכיוון ששתלים חייבים לבצע ביצועים אחידים ובבטיחות תחת לחץ יומיומי.
הפיתרון: תהליך טיפול חדש בחום
הצוות מצא כי תהליך טיפול בחום דו-שלבי שיפר משמעותית את אחידות המבנה והעוצמה של המתכת. התהליך כלל:
טיפול בפתרון – חימום החומר ל 1150 מעלות צלזיוס, אוחז בו במשך שעה ואז מקרר אותו במהירות במים. זה עזר לבנות מחדש את דגני המתכת הלא אחידים.
חישול – חימום מחדש של החומר ל -450 מעלות צלזיוס למשך 30 דקות ואז קירור אותו שוב. שלב זה זיקק את מבנה התבואה ואיזון עוד יותר את תכונות החומר.
כתוצאה מכך, כוחו והגמישות של המתכת הפכו כמעט זהים לכל הכיוונים. חוזק המתיחה האולטימטיבי הגיע ל -906.1 מגה מגה ו -879.2 מגה -פ"ס, בעוד שערכי התארכות מאוזנים על 20.2% ו -17.9%, מה שהופך את החומר לחזק ואמין יותר לשימוש רפואי.
העתיד: שיפור עמידות ותאימות ביולוגית
עם פריצת דרך זו, מדענים בוחנים כעת טיפולי שטח כדי לשפר עוד יותר את עמידות השחיקה ואת תאימותם הביולוגית של שתלים. שיטות כמו Shot Peening (בהן חרוזי מתכת זעירים מפוצצים על פני השטח) ופינפינג קולי עלול לשפר את עמידות העייפות של השתלים, ולעזור להם להימשך זמן רב יותר תחת לחץ יומיומי. טיפולים מהדור הבא אלה עשויים להפוך את השתלים המפרקים המודפסים בתלת מימד לעמידים יותר ונמצאים בשימוש נרחב במסגרות קליניות.
ההשפעה: עתיד בטוח יותר עבור שתלים רפואיים
מחקר זה מציע תובנות חדשות כיצד לשפר שתלי מתכת מודפסים בתלת מימד, מה שהופך אותם לבטוחים ועמידים יותר עבור חולים. על ידי התייחסות לחוזק ואיכות חומרים לא אחידה, פריצת דרך זו מניחה את הבסיס להשתלות אורטופדיות טובות יותר, במיוחד עבור תחליפי משותפים.
הממצאים פורסמו לאחרונה בכתב העת הבינלאומי חוזים עתידיים על חומריםהתקדמות נוספת של מחקר בייצור תוספים בדרגה רפואית.
