在進(jìn)行顱頜面外科修復(fù)手術(shù)時，每位患者因骨缺損程度的不同，所需的植入物也是獨(dú)一無二的。標(biāo)準(zhǔn)植入物需要在手術(shù)期間由醫(yī)生手動調(diào)整以適應(yīng)個體骨缺損，但個性化植入物（ patient-specific implants，PSIs）可以免去手動調(diào)整的過程，實(shí)現(xiàn)完美解剖學(xué)配合。個性化植入物的應(yīng)用將縮短手術(shù)時間，使外科醫(yī)生能夠?qū)Ｗ⒂谑中g(shù)本身，并能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)異的美學(xué)效果，這在顱頜面外科手術(shù)中是非常重要的。

3D打印技術(shù)為制造顱頜面?zhèn)€性化植入物提供了技術(shù)解決方案，除了實(shí)現(xiàn)解剖學(xué)配合之外，增材制造植入物在設(shè)計(jì)時可以配備互連的孔結(jié)構(gòu)，促進(jìn)組織向內(nèi)生長以及骨再生。

目前醫(yī)療中應(yīng)用的鈦金屬、PEEK 3D打印顱頜面?zhèn)€性化植入物為不可降解的植入物，雖然它們已為骨缺損修復(fù)提供了很好的解決方案，但是理論上通過可被吸收、降解的材料制造的個性化植入物將進(jìn)一步改善治療效果。因?yàn)檫@種可生物降解的植入物在數(shù)月至數(shù)年的時間內(nèi)被人體吸收，并促進(jìn)完整的組織再生，避免翻修手術(shù)以及骨移植，進(jìn)一步提升患者的生活質(zhì)量。

德國 Fraunhofer ILT 快速制造部門開發(fā)了一種新的可降解粉末復(fù)合材料，F(xiàn)raunhofer已驗(yàn)證了用該材料以及SLS 3D打印技術(shù)制造可降解顱骨植入物的可行性。本期，3D科學(xué)谷就與谷友一起通過Fraunhofer ILT 研究員Christoph Gayer 所在團(tuán)隊(duì)開展的相關(guān)研究，進(jìn)一步了解這一技術(shù)。

控制復(fù)雜性

基于可生物降解聚合物材料制造的植入物 ，例如聚乳酸，聚乙醇酸或聚己內(nèi)酯 已經(jīng)被應(yīng)用了數(shù)十年。通過注塑技術(shù)可以將這類材料制造為簡單的幾何形狀，但難以實(shí)現(xiàn)個性化植入物的制造。

Fraunhofer 正在進(jìn)行這類可降解聚合物的增材制造技術(shù)。Fraunhofer 認(rèn)為，在所有3D打印技術(shù)（例如，熔融沉積成型、粘結(jié)劑噴射或立體光固化）中，選區(qū)激光燒結(jié)工藝（SLS）是聚合物個性化植入物制造中最有前景的技術(shù)。與需要特殊光聚合物樹脂的立體光固化技術(shù)不同，激光燒結(jié)可以加工標(biāo)準(zhǔn)材料。與熔融沉積成型和粘結(jié)劑噴射技術(shù)相比，選區(qū)激光燒結(jié)通常可以實(shí)現(xiàn)更高的精度和強(qiáng)度。

通過選區(qū)激光燒結(jié)制造個性化植入物，需要三個必要的先決條件：正確的粉末材料，正確的設(shè)備和正確的工藝。

選區(qū)激光燒結(jié)示意圖，圖片來源：Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT

選區(qū)激光燒結(jié)需要的粉末材料優(yōu)選粒徑小于100μm的材料。生產(chǎn)聚合物粉末材料通常比較復(fù)雜，這是由于大多數(shù)聚合物具有高抗沖擊性和或高延展性，機(jī)械研磨通常都會失敗，<100μm的粉末材料尚存在產(chǎn)率不足或顆粒具有減少粉末流動性的尖銳邊緣的問題。

Fraunhofer 研究團(tuán)隊(duì)使用的一種粉末生產(chǎn)方法是溶劑蒸發(fā)。然而，可生物降解的聚合物，如聚丙交酯（PLA），僅可溶于氯仿或二氯甲烷等有毒有機(jī)溶劑。這些有毒溶劑是嚴(yán)重危害健康的，這對于該材料的醫(yī)學(xué)應(yīng)用以及粉末生產(chǎn)的升級造成不良影響。為了避免這些問題，F(xiàn)raunhofer 采用基于良好生產(chǎn)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的無溶劑方法處理Schaefer Kalk生產(chǎn)的粉末。使用該方法可以生產(chǎn)多種不同的聚合物/填料組合，包括由PLA和沉淀碳酸鈣（PCC）制成的新復(fù)合材料。

可生物降解的聚丙交酯/碳酸鈣復(fù)合材料粉末，專門用于選區(qū)激光燒結(jié)。圖片來源：Schaefer Kalk GmbH＆Co。

專門設(shè)計(jì)的PCC顆粒是骨形成所需的Ca2 +離子的來源。此外，PCC顆粒能夠通過緩沖在植入物再吸收期間可能出現(xiàn)的聚丙交酯酸性降解產(chǎn)物，來改善復(fù)合材料的降解行為。這種方式可以避免由酸性降解產(chǎn)物引起炎癥反應(yīng)的可能。 PCC顆粒還提供合適的表面結(jié)構(gòu)，改善與聚丙交酯基質(zhì)的粘附性。

還有一點(diǎn)很重要，那就是要保證幾乎所有粉末顆粒都小于100μm，從而可以實(shí)現(xiàn)打印中具有約100μm厚度的薄粉末層。薄粉末層與較厚的層相比，可以更快和更均勻地實(shí)現(xiàn)粒子融合。此外，較小的層厚度可實(shí)現(xiàn)更高的細(xì)節(jié)分辨率。

顆粒形態(tài)也特別重要。Fraunhofer 新開發(fā)的PLA基碳酸鈣復(fù)合顆粒具有圓形形狀，具有良好的流動性，有利于實(shí)現(xiàn)均勻粉末沉積。

Fraunhofer通過定制的選區(qū)激光燒結(jié)設(shè)備和聚丙交酯/碳酸鈣復(fù)合粉末材料制備的可生物降解個性化顱骨植入物。 圖片來源：KLS Martin Group。

另一個關(guān)鍵的材料特性是熔體粘度。與金屬熔體不同，金屬熔體可以像水一樣流動，聚合物熔體則非常粘稠，通常它們需要很長時間才能實(shí)現(xiàn)聚合物顆粒的完全熔合。而合適的聚合物鏈長度使熔體粘度足夠小，以實(shí)現(xiàn)快速熔合。

雖然波長約1μm的近紅外光纖激光能夠加工金屬，但聚合物在該波長下幾乎沒有吸收。3D科學(xué)谷了解到，F(xiàn)raunhofer 研究人員使用具有10.6-μm波長的中紅外CO2激光器用于聚合物加工。在該波長下，聚合物的分子鍵被激發(fā)，導(dǎo)致分子振動，從而發(fā)生顯著的吸收。

Fraunhofer 在這項(xiàng)研究中使用了定制的EOS Formiga P 110 激光燒結(jié)3D打印設(shè)備，包括具有30 W光功率的CO2激光器，該設(shè)備能夠?qū)⒓す馐劢怪良s450μm的光斑直徑，給出19kW / cm 2的典型強(qiáng)度。

由于可生物降解的聚合物在加工過程中易于熱降解。因此，F(xiàn)raunhofer研究人員仔細(xì)調(diào)整了工藝參數(shù)（例如，激光功率和掃描速度）以避免熱降解。同時，能量輸入必須足夠高，以實(shí)現(xiàn)完全熔化，實(shí)現(xiàn)具有高機(jī)械強(qiáng)度的全密度部件。

Fraunhofer的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，應(yīng)將激光功率調(diào)整到優(yōu)于10％的精度，以獲得最佳強(qiáng)度（彎曲強(qiáng)度約為80 MPa）和最小降解（固有粘度降低<10％）。在此條件下制造出來的3D打印樣件，顯示出與成骨細(xì)胞樣MG-63細(xì)胞良好的細(xì)胞相容性。

Fraunhofer研究團(tuán)隊(duì)總結(jié)出，成功3D打印這種可降解復(fù)合材料的關(guān)鍵是控制好粉末材料，設(shè)備和工藝之間的復(fù)雜相互作用。

在設(shè)計(jì)顱骨植入物時，研究團(tuán)隊(duì)使用Autodesk Within 軟件設(shè)計(jì)出相互連接的孔隙結(jié)構(gòu)。該軟件可以沿著種植體表面輪廓實(shí)現(xiàn)孔結(jié)構(gòu)的整合，從而實(shí)現(xiàn)平滑的整體表面，而不會產(chǎn)生偏置的支柱，支柱直徑約為1毫米。

植入物3D打印過程約需兩個小時，植入物可完美貼合顱骨缺損。

Fraunhofer 這一研究表明了通過選區(qū)激光燒結(jié)3D打印技術(shù)制造可生物降解顱骨個性化植入物的可行性。3D科學(xué)了解到，F(xiàn)raunhofer 下一步將對該植入物體外和體內(nèi)測試。

l Christoph Gayer是Fraunhofer ILT快速制造部門的研究員，他所在團(tuán)隊(duì)的研究范圍涵蓋工藝和應(yīng)用開發(fā)，以及粉末床激光熔融設(shè)備和材料開發(fā)。

來源：3D科學(xué)谷