科学者らが3Dプリントチタンインプラントを最適化する新たな方法を発見

ウォータールー大学の研究者らは、成長を続ける整形外科応用産業に関連する金属および材料層の3Dプリントに関する新たな発見をした。

Ahmad Basalah、Shahrzad Esmaeili、Ehsan Toyserkani が共同執筆した記事「焼結プロトコルと層厚が積層造形チタン多孔質バイオ構造の物理的および機械的特性に与える影響について」では、彼らの最近の研究の概要が説明されています。この研究は、3D プリントされた医療用インプラントの機械的および物理的完全性に対する製造業者のコントロールを強化することが期待されています。

研究チームは、無菌性の緩み、つまりインプラントと骨の間の緩い接続が、関節置換術後に患者が再手術を受ける原因となることが多いと指摘した。緩みは、骨密度を低下させるストレスシールドによって引き起こされることが多く、インプラントによって骨が弱くなることもあります。したがって、骨インプラントの作成は必然的に複雑さと精度を伴う重大なプロセスであることは明らかです。

チタンは強度と信頼性に優れているため多くの用途で人気があり、生体適合性が高いため医療用インプラントにも使用されています。インプラント材料としては、インプラントの表面に保護酸化物層を形成するため、他の材料よりも優れた耐腐食性を備えています。研究者らは、潜在的な応力遮蔽の問題を軽減し、チタンが提供するその他の利点を活用するために、適度な剛性と重量を可能にするチタンフォーム構造が最良の選択肢であると判断しました。

「私たちは皮質骨の特性を模倣するためにチタンフォーム構造の使用を何度も試みてきました」と研究者は語った。

研究者らは、粉末粒子サイズ、焼結温度、粉末圧縮レベルという 3 つの変数を変更することで、多孔性と機械的特性を操作するさまざまな研究を実施しました。

「結果は、多孔度の減少がヤング率の直線的増加と関連していることを示しています。同じ焼結温度では、粉末粒子サイズと圧縮レベルの変化が多孔度に大きな影響を与える可能性があります。しかし、焼結温度を単に変更しただけでは、多孔度に大きな変化は生じませんでした。多孔度に影響を与える主な要因は、初期の粉末サイズと粉末圧縮レベルであると結論付けられます」と研究者らは論文で述べています。

研究者らは、インプラントの緩みや炎症などの問題を解消することを目的として、3Dプリント中に層の厚さが粉末の圧縮にどのように影響するか、また温度変化がインプラントと骨の接続にどのように影響するかを研究した。

「私たちの論文では、印刷部品の密度を予測するモデルを開発しました。これにより、印刷部品が提供する剛性と強度を計算できます」と、ウォータールー大学機械・メカトロニクス工学部の博士課程の学生、アフマド・A・バサラ氏は語ります。「その結果、印刷部品を、印刷に使用する材料によって最適化することができます。」

この研究では、研究者らは直径38～45ミクロンのチタン粉末を使用し、3D Systems ZPrinter 310 Plusでサンプルを3Dプリントしました。粉末の圧縮を確認するために 4 種類の異なる層の厚さを印刷し、焼結温度をそれぞれ 800°C、1000°C、1200°C、1400°C に設定しました。

研究者らによると、サンプルは焼結プロセスの最後に炉で冷却されたという。また、多孔性研究、圧縮試験、収縮測定、顕微鏡的特性評価、統計分析などの追加の研究内容も提供しました。

彼らのテスト結果によると、焼結温度が上昇すると、層の厚さが多孔性に直接影響を与えることがわかりました。「最高の焼結温度（1400℃）では、層の厚さが減ることで多孔度が大幅に減少する。他の焼結温度では、多孔度は相対的にしか減少しない」と研究者らは述べた。

研究チームは、焼結温度が上昇するとサンプルの平均降伏強度が大幅に増加した（P < 0.05）と報告しました。彼らは、降伏強度の増加は 1000°C、1200°C、1400°C では顕著であったが、800°C では顕著ではなかったことを確認しました。

温度が上昇すると収縮も増加します。「さらに、二元配置分散分析統計検定により、焼結温度と粉末圧縮の相互作用により、両方向の収縮が大幅に増加することが明らかになった（P < 0.05）」と研究者らは述べている。

要約すると、粉末の圧縮と層の厚さが、多孔質 3D プリントチタン構造の多孔性、強度、剛性、寸法偏差に影響を与えることが分かりました。

研究者らは、焼結温度と組み合わせることで、両方のパラメータが 3D プリント部品の成果に物理的および機械的に直接影響を与えることを観察しました。粉末の圧縮と温度は、焼結ネックのサイズとその構造内の「細孔容積」に影響を与える可能性があります。

「さらに、回帰分析により、細孔モデルと実験データの間に良好な適合性が示された」と研究者らは結論付けた。

この研究では、研究者のモデリングと実験結果が一貫しており、皮質骨の特性を模倣するように設計された 3D プリントインプラントとチタンフォーム構造の継続的な使用にとって良い兆候となっています。

出典: marker8 & 3D Printing World さらに読む:
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