由钛合金或不锈钢制成的永久植入物和自体骨移植物（由患者自己的骨骼制成的移植物）是治疗骨缺损最常用的解决方案之一。 然而，它们只能部分满足对患者友好的复杂愈合过程的要求。永久植入物的机械特性导致周围骨组织的应力降低，削弱它并增加再骨折的风险，并且骨组织本身不会愈合。 此外，植入物在体内的长期保留会增加进一步手术干预的风险，尤其是在老年人群中。 尽管自体骨移植可以促进周围骨组织的自我修复，从而获得最佳的治疗效果，但它们只能用于一定体积的缺损。
带点阵晶格结构的颚骨植入物
© 亚琛数字增材制造学院
促进愈合过程
3D科学谷表示，根据沃尔夫定律，骨骼会重建和自组织其拓扑结构以适应施加在其上的外部负载， 在应力屏蔽的情况下，大部分自然载荷从皮质骨中移除，导致驱动骨形成的机械刺激丧失，导致骨质随时间流失。这因此削弱了种植体支撑并增加了种植体和骨骼界面处微动升高的风险，从而导致种植体无菌松动。植入物松动会导致大腿疼痛，增加假体周围的风险。
根据3D科学谷的市场了解，作为 BioStruct 项目的一部分，位于亚琛的医疗技术创新生态系统正在研究针对患者的植入物的进一步开发。BioStruct项目由联邦教育和研究部（BMBF）资助（资助代码 13GW0404D），目标是开发一种新型 ZnMg 合金用于增材制造具有集成算法的晶格结构的生物可吸收植入物。3D打印的植入物可以被身体吸收并适应患者的个性化需求，从而促进优化的愈合过程。
为此，ACAM亚琛增材制造中心的研发成员DAP RWTH亚琛工业大学数字增材制造学院开发了一种增材制造工艺，用于结合只能使用激光粉末床熔融 (LPBF) 3D打印技术生产的创新点阵晶格结构，生产新型锌镁合金成分的骨科植入物。该项目的成果将被转移到 reACT 联盟，该联盟已经在 2022 年下半年开始了对未来植入物的跨学科研究。
点阵晶格结构
© 亚琛数字增材制造学院
reACT 联盟（“来自亚琛技术区的可吸收医疗解决方案”，资助代码：03RU1U173C）是资助计划“RUBIN – 区域创新创业联盟”的一部分，由德国联邦教育及科技部（BMBF）资助。reACT 联盟包括Meotec，Fibrothelium，3D Systems，亚琛工业大学数字增材生产学院 DAP – RWTH Aachen。
时至今日，所谓的临界尺寸骨缺损构成了一个复杂的医学问题：由于大量缺失的骨量和任何游离骨端之间的距离，这些缺损中的骨骼无法自行愈合。考虑到这一点，BioStruct 联盟的合作伙伴正在开发一种生物可吸收植入物概念，其材料特性和几何设计满足患者友好型骨愈合的复杂要求。
锌、镁，还是两者兼而有之？
特别是，锌镁合金在可吸收骨植入物领域显示出令人鼓舞的成果。在生物可吸收金属合金的开发背景下，纯锌 (Zn) 的特点是在人体中具有良好的降解性能。然而，其机械强度不足以用作植入物。另一方面，镁 (Mg) 因其类似骨骼的机械性能，已被用作制造植入物的材料，例如在足部手术中。然而，它在特殊应用中在体内降解太快，并且在组织的潮湿环境中会发生气体形成。出于这个原因，研究人员正在研究这些纯金属的不同合金成分，以有效地将两者的特性结合起来用于人体以及 通过LPBF选区激光熔融金属3D打印的可加工性。
患者特异性植入物的算法设计
LPBF 为植入物的设计提供了全新的设计可能性，以进一步满足患者的特定要求，例如满足应用部位的机械应力和腐蚀行为。ACAM亚琛增材制造中心的研发成员DAP RWTH亚琛工业大学数字增材制造学院开发了创新方法用于点阵晶格结构设计：根据定义的要求，以参数化方式生成各个支柱或点阵晶格单元的几何形状和排列，生成的点阵晶格结构适应骨缺损部位，并为使用 LPBF 选区激光熔融金属3D打印技术进行生产做好准备。在这种情况下，支柱直径是一个重要参数。对晶格结构设计的调整允许植入物被身体吸收时代谢掉降解产物，促进组织向内生长。
© 3D科学谷白皮书
根据3D科学谷，泡沫点阵结构的性能具有很高的设计灵活性。通过调整点阵的相对密度、单胞的构型、连杆的尺寸，达到结构的强度、刚度、韧性、耐久性、静力学性能、动力学性能的完美平衡。点阵结构比强度和比刚度高，在低密度结构中有较大的力学性能优势。与传统的固体材料相比，金属点阵材料的密度大大降低，具有相同性能的点阵结构可以减重达70%以上。与金属泡沫材料相比，金属点阵结构性能上可控制，强度和模量比金属泡沫材料高出一个量级，承载效率更高。
第一个锌镁合金植入物成功
在研究中，科学家们能够通过在锌中添加少量镁来实现晶粒细化和有针对性的微观结构调整。在从纯锌到 Zn8Mg 合金的不同成分的广泛合金筛选中，镁含量≤ 1 wt-% 的 ZnMg 合金显示出用作骨替代产品的最佳性能。带点阵晶格结构的颚骨植入物的点阵晶格结构的支柱直径为 200 μm。通过 LPBF 制造了额外的结构，用于研究 ZnMg 的生物相容性。未来，这些结构旨在为胶原蛋白或丝心蛋白等材料的渗透形成稳定的框架，从而促使骨骼生长。
通过系统地研究设计、材料和工艺优化，开发的植入物解决方案具有可扩展的产业化基础。下一步，设计过程将得到优化和自动化：为了将与患者和生产相关的要求自动纳入设计过程，DAP RWTH亚琛工业大学数字增材制造学院的科研人员正在开发一个特定于材料和后处理的数据库，以及一个特定于应用程序的数据库。前者包括机械性能、LPBF 设计限制和 LPBF 工艺参数等输入变量。后者包括一个数据库，包含患者的年龄、性别、缺陷大小和骨科几何形状等信息。
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