Biomedizinische Materialien interagieren mit biologischen Systemen und werden zur Diagnose von Organismen verwendet. Behandlung, Reparatur und Ersatz von erkranktem oder geschädigtem Gewebe. Ein Organ oder eine Art von Material, das seine Funktion verbessert.
In den letzten Jahren, mit der kontinuierlichen Verbesserung des Lebensstandards der Menschen und der Verlängerung der durchschnittlichen Lebensdauer, ist die Nachfrage nach biomedizinischen Materialien schnell gestiegen. Menschliche Implantate müssen für jeden Patienten individuell entworfen und schnell hergestellt werden, um die beste Behandlungsmöglichkeit zu nutzen und die Schmerzen des Patienten zu lindern. Traditionelle Verarbeitungsmethoden haben jedoch einen langen Zyklus und hohe Kosten, insbesondere für biologische Implantate mit komplexen Formen, die mit herkömmlichen Techniken schwer zu bedienen und zu kontrollieren sind.
SLS-Technologie zur Herstellung biomedizinischer Materialien
Die mit SLS-Technologie hergestellten biomedizinischen Materialien sind hauptsächlich biomedizinische Polymermaterialien, biomedizinische Metallmaterialien und biomedizinische Verbundwerkstoffe. Diese medizinischen Materialien werden hauptsächlich im medizinischen Bereich verwendet, um medizinische Modelle, Implantate und Prothesen sowie Tissue-Engineering-Gerüste herzustellen.
1. Medizinisches Modell
Die früheste Anwendung der SLS-Technologie im Bereich der Biomedizin bestand darin, medizinische Modelle zu erstellen, um das klinische Design und die Planung der medizinischen Diagnose und Chirurgie, die Simulation chirurgischer Eingriffe und die medizinische Lehre zu ermöglichen. Der kraniomaxillofaziale Defekt ist eine häufige Erkrankung in der chirurgischen Reparatur mit komplexen gekrümmten Oberflächen und vielen hohlen Strukturen. Keine der vorhandenen Reparaturmethoden kann die ideale Form des individuellen Schädels und Kiefers erreichen und nur grob die Gesichtsform wiederherstellen, die den ästhetischen Anforderungen des Patienten nicht gerecht werden kann. Die SLS-Technologie zur Herstellung eines personalisierten Schädelmodells ist eine äußerst praktikable Lösung. Der spezifische Betriebsprozess ist:
(1) Modellierungsmaterialien. Wählen Sie eine antiseptische Schädelprobe.
(2) CT-Scan. Ein CT-Scanner wird verwendet, um ein kontinuierliches Spiralscannen an der Schädelprobe durchzuführen, und die erhaltenen tomographischen Bilder werden an den Rekonstruktionsarbeitsplatz übertragen und im DICOM-Format gespeichert.
(3) Dreidimensionale Modellrekonstruktion. Die Mimics-Software wird verwendet, um die Bilddatei im DICOM-Format automatisch zu lesen. Durch die Erkennung, Extraktion und dreidimensionale Überlagerung des Knochengewebebereichs wird die dreidimensionale Rekonstruktion des geometrischen Modells des Schädeldefekts abgeschlossen. Die rekonstruierten Daten werden über das CTM-Modul in die STL-Formatdatei ausgegeben.
(4) SLS-Rapid-Prototyping. Mit der MagicsRP-Entity-Layering-Software werden die STL-Formatdateien in einem bestimmten Intervall geschichtet, um die von SLS benötigte tomographische STL-Datei zu generieren, und dann wird die geschichtete STL-Datei an die SLS-Formmaschine zur Verarbeitung des Modells eingegeben. Studien haben gezeigt, dass der umfassende Einsatz von CT-Scanning, dreidimensionaler Modellierung und SLS-Techniken zur Gestaltung verschiedener Pläne für verschiedene Patienten, die Form, Struktur und Größe der personalisierten Defektmodelle und Restaurationsmodelle im Wesentlichen die gleichen sind wie die der Schädelproben, die mit den Kiefern übereinstimmen. Die Anforderungen der Gesichtschirurgie können für die präoperative Diagnostik und Operationsplanung genutzt werden.
2. Implantate und Prothesen
Das Implantat und die Prothese bestehen aus biologischen Materialien, die mit dem menschlichen Körper kompatibel sind, und können eine Rolle bei der Behandlung und Rehabilitation nach der Implantation oder dem Tragen des menschlichen Körpers spielen. Aus Sicht der Biomedizintechnik muss der Implantator die folgenden 3 Bedingungen erfüllen:
(1) Ausreichende mechanische Festigkeit, um dem körpereigenen Gewicht und dem Aufprall während des Trainings standzuhalten;
(2)Individuelles Matching zur Defektstelle und zum umgebenden Gewebe;
(3) Gute biologische Gewebeverträglichkeit. Den vorhandenen Charakteren fehlt jedoch die individuelle Übereinstimmung.
Die rasante Entwicklung von Materialwissenschaften, Computertechnologie und SLS-Technologie hat es ermöglicht, Implantate individuell zu entwerfen, schnell herzustellen und zu popularisieren.
Die beiden Methoden, die zur Vorbereitung des komplexen Körpers verwendet werden, haben gemeinsam: Zuerst werden CT-Scan und dreidimensionale Rekonstruktion verwendet, um das Modell der Restauration zu erhalten, dann wird die Entität durch die SLS-Technologie hergestellt, und schließlich wird der künstliche komplexe Körper durch den Nachbearbeitungsprozess erhalten. Im Vergleich zu traditionellen Produktionsmethoden spart es Zeit und Materialkosten, reduziert Produktionsschritte und -kosten und bietet eine Grundlage für die Förderung und Anwendung der SLS-Technologie im Bereich der Biomedizin.
3. Tissue Engineering Gerüst
Tissue Engineering ist eine aufstrebende Querschnittsdisziplin, die die Prinzipien und Methoden der Ingenieurwissenschaften und der Biowissenschaften anwendet, um biologische Ersatzstoffe für die Wiederherstellung, Aufrechterhaltung oder Verbesserung der Funktion geschädigter Gewebe oder Organe zu entwickeln. Biomaterialien, die in Tissue Engineering-Gerüsten verwendet werden, müssen die folgenden Anforderungen erfüllen:
(1) Die dreidimensionale poröse Netzwerkstruktur erleichtert die Zellproliferation und den Transfer von Nährstoffen und Stoffwechselabfällen;
(2) Gute Biokompatibilität, dh keine offensichtliche Zytotoxizität, Entzündungsreaktion und Immunabstoßung;
(3)angemessene biologische Abbaubarkeit und die Abbaurate entsprechen dem Wachstum und der Vermehrung neuer Gewebezellen;
(4)geeignete physikalische und chemische Eigenschaften der Oberfläche, um die Adhäsion, Proliferation und Differenzierung von Zellen zu erleichtern;
(5) Bestimmte biomechanische Eigenschaften können die Stabilität und Integrität der Struktur und des Aussehens in der biologischen Umgebung des Körpers aufrechterhalten.
Zu den Materialien, die für Tissue-Engineering-Gerüste verwendet werden, gehören hauptsächlich natürliche Biomaterialien, Biokeramiken und synthetische Polymermaterialien. Tissue-Engineering-Gerüste, die durch traditionelle Vorbereitungsverfahren wie Faserbindungsmethode, Lösungsgusslaugungsmethode, Phasentrennungsmethode, Gasschäummethode und Partikelsintermethode erhalten werden, haben eine schlechte mechanische Festigkeit, einen geringen Durchdringungsgrad der Poren, Porosität und Porenstruktur Die Kontrollierbarkeit ist nicht flexibel.
Die SLS-Rapid-Prototyping-Technologie verwendet selektives Sintern von Polymeren oder Polymer-/Biokeramik-Verbundwerkstoffen zur Herstellung von Stents. Die Mikrostruktur des Stents kann durch Anpassung der SLS-Prozessparameter gesteuert werden, und die erhaltenen Stents sind alle poröse Strukturen.
Die SLS-Technologie zur Herstellung biomedizinischer Materialien kann nicht nur ein personalisiertes Design und eine Verarbeitung erreichen, um den individuellen Bedürfnissen verschiedener Patienten gerecht zu werden, sondern auch die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften biomedizinischer Materialien flexibel zu steuern, indem ihre Prozessparameter und Nachbearbeitungsmethoden angepasst werden. Biomedizinische Materialien, die mit SLS-Technologie hergestellt werden, haben jedoch im Allgemeinen Probleme wie geringe Dichte, raue Oberfläche und geringe mechanische Eigenschaften, insbesondere Polymer- und Polymer- / Keramikverbundwerkstoffe, die die mechanischen Kompatibilitätsanforderungen biomedizinischer Materialien nicht erfüllen können. Mit diesen Eigenschaften der SLS-Technologie ist es jedoch zweckmäßig, raue und poröse Metallmaterialien herzustellen, die der Zelladhäsion und dem Zellwachstum förderlich sind, insbesondere Titan- und Titanlegierungsmaterialien mit ausgezeichneter Biokompatibilität und mechanischen Eigenschaften. Dies wird SLS Technology sein, eine wichtige Entwicklungsrichtung im Bereich der Herstellung biomedizinischer Materialien.