3D打印技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域取得的進(jìn)步令人驚嘆，特別是在生物打印方面，創(chuàng)造了許多不同的技術(shù)和材料?，F(xiàn)在，新加坡的研究人員正在探索鎂合金在制造腳手架中的應(yīng)用，其研究通過(guò)利用生物3D打印機(jī)在毛細(xì)管介導(dǎo)的無(wú)粘合劑中添加鎂、鋅、 鋯、等合金。

鎂是一種可用于組織工程的第三代生物材料，然而卻存在著無(wú)數(shù)的挑戰(zhàn)。正如研究人員指出的，鎂對(duì)氧氣的高親和力和低沸點(diǎn)溫度處理，以及可能和其他化學(xué)品發(fā)生反應(yīng)，在處理鎂粉時(shí)這些問(wèn)題是必須仔細(xì)考慮的。

在超固相液相燒結(jié)5小時(shí)，在不同溫度下燒結(jié)的樣品的SEM顯微照片

高蒸氣壓也是阻礙使用鎂的主要挑戰(zhàn)之一，導(dǎo)致研究人員必須在適溫的條件下進(jìn)行探索。因?yàn)樵谶m溫的條件下，就不需要添加多余的支撐，并且粉末也可以完全再循環(huán)利用。在這里，研究人員創(chuàng)造了一種新的3D打印技術(shù)，包括燒結(jié)工藝，將鎂粉和綠色物體轉(zhuǎn)化為可用于腳手架的功能部件，生產(chǎn)具有與人體骨骼一樣強(qiáng)大的機(jī)械性能的部件。

研究團(tuán)隊(duì)為這項(xiàng)研究定制了自己的噴墨3D打印機(jī)，努力克服以前使用鎂的挑戰(zhàn)。將氧氣百分比維持在可能的最低水平。研究人員表示：“在低水平的綠色物體中保存氧氣表明了鎂基合金AM配制溶劑的良好前景?！?/p>

3D打印的綠色樣品在燒結(jié)后的成分中完全沒(méi)有變化，這意味著它是一個(gè)“燒結(jié)零成分的過(guò)程”。但是，隨著溫度變化，密度和穩(wěn)定性都受到影響。研究人員表示，尺寸精度是另一個(gè)至關(guān)重要的因素，并且在3D打印過(guò)程中也會(huì)造成偏差的影響。膨脹也可能引起實(shí)質(zhì)性問(wèn)題，導(dǎo)致打印物的形狀損失，在燒結(jié)溫度從595℃升高到610℃時(shí)都會(huì)出現(xiàn)。膨脹還會(huì)干擾組件的功能。

在535℃至610℃的不同溫度下燒結(jié)5小時(shí)后的樣品

在繼續(xù)研究其他特征時(shí)，研究人員發(fā)現(xiàn)密度隨溫度升高而增加。在研究保持時(shí)間對(duì)物理和機(jī)械性能的影響時(shí)，他們還發(fā)現(xiàn)即使密度變高，強(qiáng)度也可能很低?？偟膩?lái)說(shuō)，為了克服創(chuàng)建支架所需的挑戰(zhàn)，必須存在機(jī)械完整性，以及平衡的剛度和強(qiáng)度。

研究人員說(shuō)： “支架的機(jī)械性能可影響細(xì)胞行為和宿主組織與支架之間的骨整合，如果支架提供足夠的機(jī)械支撐，可能會(huì)發(fā)生軟骨下骨骨缺損的過(guò)早塌陷。因此，應(yīng)調(diào)整支架的剛度和強(qiáng)度以與宿主組織的剛度和強(qiáng)度相匹配，以避免術(shù)后應(yīng)力屏蔽效應(yīng)并促進(jìn)組織再生?！?/p>

健康支架表現(xiàn)出良好的孔隙百分比、大小、形狀、骨整合、以及營(yíng)養(yǎng)物運(yùn)輸組織向內(nèi)生長(zhǎng)和廢物去除。隨著這些有序的進(jìn)程的發(fā)展，骨組織再生是可能的。

研究人員表示：“鎂基合金在臨床結(jié)果方面被歸類為第三代生物材料，燒結(jié)后毛細(xì)管介導(dǎo)的無(wú)粘合劑3D打印鎂部件可以提供與骨相當(dāng)?shù)奶匦?。”在他們的論文中，研究人員更多地解釋了人類皮質(zhì)骨的結(jié)構(gòu)，這是一個(gè)三種尺寸等級(jí)的組織，包括：

1、Haversian和Volkmann血管直徑在40到100μm之間

2、骨細(xì)胞缺陷，大小在10到30μm之間

3、導(dǎo)管直徑約為幾十納米

孔隙度問(wèn)題可以處理，因?yàn)樵?D打印中產(chǎn)生較大的孔以補(bǔ)償所需的百分比，從而精煉支架以用于骨架更好的組織工程。

在573℃的最佳燒結(jié)溫度下，將保持時(shí)間從5h增加到20,40和60h，可以在每個(gè)額外的保持時(shí)間內(nèi)顯著改善微觀結(jié)構(gòu)，物理和機(jī)械性能，同時(shí)避免不希望的尺寸損失。研究人員總結(jié)說(shuō)：“實(shí)現(xiàn)了相互連通的開(kāi)孔結(jié)構(gòu)，其孔隙率為29％，平均孔徑為15μm，抗壓強(qiáng)度為174MPa，彈性模量為18GPa，這些值與人類皮質(zhì)骨類型的值相當(dāng)?！?/p>

今天3D打印技術(shù)與醫(yī)療領(lǐng)域之間存在著巨大的發(fā)展勢(shì)頭，許多不同類型的醫(yī)療植入物慢慢的改善患者的生活質(zhì)量，從面部植入物到促進(jìn)膝關(guān)節(jié)置換的那些，今后隨著各種生物材料的不斷擴(kuò)大，組織工程將會(huì)處在3D打印的最前沿。