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3D打印机对医疗行业的影响

3D打印的聚甲基丙烯酸甲酯对颅骨植入物的冲击优化

 

  在最近出版的《用于颅骨植入物的3D打印聚甲基丙烯酸甲酯的冲击优化》中,几位研究人员重点研究了用于医疗植入物的FFF 3D打印的冲击行为,并研究填充密度和图案对3D打印的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的影响。

 

             

  具有研究的夹心结构及其尺寸(单位为mm)的一个3D打印冲击试样的示意图,以及研究的夹芯的三个填充图案以及相应的填充密度b)的示意图。在(a)中,蓝色表面表示打印期间的构建平台,绿色箭头表示测试期间的碰撞方向。标本的取向应使连续的印刷层在z方向上。

 

  虽然3D打印机帮助研究人员在医学领域取得了长足的进步,但在植入物的制造中仍然存在许多挑战。最大的挑战之一就是植入物必须与自然的人体结构相似。对于颅骨植入物,需要具备以下特征:

 

  ● 惰性

  ● 生物相容性

  ● 可消毒

  ● 长期稳定

  ● 强度

  ● 耐久力

  ● 术中可操作性

  研究人员一直专注于3D打印植入物的聚合物,尤其是PEEK和PMMA。

 

  “两种热塑性塑料都是惰性的,生物相容性的,并具有足够的机械性能以替代骨骼。 PEEK在强度,刚度和耐久性方面超过了PMMA。相比之下,PMMA容易获得且负担得起。”研究人员说。

 

  夹心结构很受欢迎,其层的方向和结构各不相同,而机械性能则通过结构化芯“到两个坚硬而薄的外层”得到改善。在使用经典结构时,研究人员报告:“无论填充密度和结构如何,所有测试均显示出逐步破坏的行为,可以看作是力-位移曲线中的几个峰值。这在夹层结构中是很常见的现象,因为表层和芯材的断裂行为是完全不同的。”

 

  为了进一步提高冲击过程中可达到的刚度和能量吸收水平,应用了拓扑和材料优化技术。拓扑优化的PMMA冲击试样的设计考虑了将重量减少50%作为边界条件。计算出的内部结构的填充密度为100%。

 

                

 

  通过拓扑a)和材料b)优化技术优化的PMMA冲击试样的四分之一截面。灰色材料表示PMMA,绿色中间层表示软TPC。标本的取向应使连续的印刷层在z方向上。

 

  与其他50%填充密度设置相比,拓扑优化结构在动态刚度和F D方面表现出色。这两个值都类似于3D-HC,并且高于直线形和螺旋形内部结构。但是,就整体断裂行为而言,它的形状接近70%的3D-HC和100%的直线形结构,因为它在没有明显的逐步裂纹扩展阶段的情况下相当脆弱。

 

               

 

 结论表明, E D 以及达到这一点的动态刚度或变形代表了关于植入物设计过程的非常关键的参数。如果需要相对于吸收能量的高承受力水平,此时建议填充密度为70%的3D-HC内部结构和填充密度为100%的直线结构。

 

  比较3D打印的PMMA标本(包括a–d)直线形,e–g)螺旋形和h–j)3D蜂窝(3D-HC)芯结构(填充密度分别为30%,50%)后,对发生的失效机理进行比较,70%和100%,表示了样品朝向冲击器的一面。

 

     

 

  颅骨植入物的3D打印是一个持续的研究主题,研究人员正在尝试用钛制成它们,探索调节效果,并进一步针对患者特定护理进行创新。相信以后3D打印机能在医疗领域大放异彩。


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