Die Forscher entwickeln das erste 3D-3D-Total-Knie-Implantat mit Laser-3D-gedrucktem Knie

Maßgefertigte medizinische 3D-gedruckte medizinische Implantate werden immer häufiger, und eine neue Studie hat diese Technologie auf die nächste Stufe gebracht. Forscher von Naton Biotechnology haben das weltweit erste 3D-gedruckte Total Knie-Implantat aus Laser entwickelt, das als innovativer Medizinprodukte der chinesischen National Medical Products Administration offiziell genehmigt wurde.

Die Studie konzentrierte sich auf die Verbesserung der Stärke und Konsistenz von Kobalt-Chrom-Molybdän-Implantaten (COCRMO) -Legosen, die unter Verwendung von Laserpulverbettfusion (LPBF), einem 3D-Druckprozess, hergestellt wurden. Das Team entdeckte und korrigierte Inkonsistenzen in der Struktur des Materials durch Optimierung der Wärmebehandlung und stellte sicher, dass die endgültigen Implantate stärker, zuverlässiger und für Patienten sicherer sind.

Diese Forschung liefert wichtige Einblicke in die Auswirkungen des 3D -Drucks Metallimplantate und bildet die Grundlage für eine bessere Qualitätskontrolle bei der orthopädischen Fertigung, wodurch die Zukunft maßgeschneiderter medizinischer Implantate vorangetrieben wird.

Diese Forschung wurde von Professor Changhui Song von der South China University of Technology und Professor Jia-kuo Yu vom Peking Tsinghua Changjung Hospital als mit korrekten Autoren. Die Studie wurde in Zusammenarbeit mit dem Senior Engineer Renyao Li von Naton Biotechnology (Peking) Co., Ltd und anderen Mitgliedern des Teams durchgeführt.

Das Problem: Unebene Stärke in 3D-gedruckten Metallimplantaten

Der Schicht-für-Schicht-Herstellungsprozess von Cocrmo, einem weit verbreiteten Implantatmaterial, tritt bei extrem hohen Kühlraten (~ 10⁵-10⁶ k/s) auf. Diese schnelle Verfestigung führt häufig zu Anisotropie, was bedeutet, dass die Eigenschaften des Materials je nach Kraftrichtung variieren. Zu den Hauptursachen gehören Säulenkornstrukturen, Porosität und Restspannung, die alle der additiven Fertigung innewohnt.

Während umfangreiche Forschungen zu LPBF-fabricated Cocrmo-Legierungen durchgeführt wurden, haben die meisten Studien ihre Leistung nur in eine einzelne Richtung untersucht und übersehen, wie die Anisotropie die allgemeine Haltbarkeit beeinflusst. Implantate im menschlichen Körper müssen jedoch den Kräften aus mehreren Richtungen standhalten. Wenn dann die Stärke des Materials inkonsistent ist, können sich Schwachstellen entwickeln, wodurch das Risiko von Bruch oder Misserfolg erhöht wird.

In mechanischen Tests erstreckten sich die Cocrmo-Proben signifikant mehr in eine Richtung (19,1% Dehnung) als in einer anderen (9,3% Dehnung)-eine Ungleichheit von über 100%. Diese Inkonsistenz macht das Material für den langfristigen medizinischen Gebrauch unzuverlässig, da Implantate unter alltäglichen Belastungen einheitlich und sicher abschneiden müssen.

Die Lösung: ein neuer Wärmebehandlungsprozess

Das Team stellte fest, dass ein zweistufiger Wärmebehandlungsprozess die Gleichmäßigkeit der Metallstruktur und -festigkeit erheblich verbesserte. Der Prozess enthielt:
Lösungsbehandlung – Erhitzen des Materials auf 1150 ° C, halten Sie es eine Stunde lang und kühlen Sie es dann schnell in Wasser ab. Dies trug dazu bei, die ungleichmäßigen Metallkörner umzustrukturieren.
Glühen – das Material auf 450 ° C aufwärmen und dann erneut abkühlen. Dieser Schritt verfeinerte die Getreidestruktur und salbierte die Eigenschaften des Materials weiter.
Infolgedessen wurde die Stärke und Flexibilität des Metalls in alle Richtungen nahezu identisch. Die endgültige Zugfestigkeit erreichte 906,1 MPa und 879,2 MPa, während die Delongationswerte bei 20,2% und 17,9% ausgeglichen wurden, was das Material stärker und für den medizinischen Gebrauch zuverlässiger macht.

Die Zukunft: Verbesserung der Haltbarkeit und Biokompatibilität

Mit diesem Durchbruch suchen Wissenschaftler nun die Oberflächenbehandlungen, um die Verschleißresistenz und die Biokompatibilität von Implantaten weiter zu verbessern. Methoden wie Schussblock (wobei winzige Metallperlen auf die Oberfläche gesprengt werden) und Ultraschall an die Ermüdungsresistenz von Implantaten verbessern und ihnen helfen, unter dem täglichen Stress länger zu dauern. Diese Behandlungen der nächsten Generation könnten 3D-gedruckte gemeinsame Implantate noch haltbarer und in klinischen Umgebungen weit verbreiteter werden.

Der Einfluss: Eine sicherere Zukunft für medizinische Implantate

Diese Forschung bietet neue Einblicke in die Verbesserung der 3D-gedruckten Metallimplantate und macht sie für Patienten sicherer und langlebiger. Durch die Behandlung von ungleichmäßiger Stärke und materieller Qualität legt dieser Durchbruch die Grundlage für bessere orthopädische Implantate, insbesondere für Gelenkersatz.

Die Ergebnisse wurden kürzlich im International Journal veröffentlicht Materialsuturesweitere Fortschritte bei der medizinischen additiven Herstellung.

Quellen: