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:
チタン合金のくちばしを3Dプリントするのに1ヶ月かかりました。このタンチョウは再び魚を食べることができます。金属研究所はチタン合金の3Dプリント技術の研究で進歩を遂げました。

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

骨芽細胞から骨細胞への効率的な分化を実現する生物学的3Dプリント技術の新たなブレークスルー

付加製造のグローバルビジョン、ハネウェルはインドで何を行っているのでしょうか?

3Dプリンターで自転車を改造するヤン氏の起業家としての「秘密」

デューク大学、生分解性医療インプラント用の新しい無溶剤3Dプリント材料を開発

医療分野における 3D プリントの富を生み出す機会はどこにあるのでしょうか?

北風智能は第15回珠海航空ショーで金属3Dプリント産業チェーンの最新の成果を発表する。

テキサスA&M大学の3Dプリント小児用医薬品がトキソプラズマ症の子供たちに新たな希望をもたらす

DC「シャザム！」》ユニフォームを完璧に3Dプリントするには1000万ドル以上かかる

精密ガラス光学部品、液体シリカ樹脂を3Dプリントする新しい方法

法医学者が3Dプリントを使って低コストの検死装置を開発

推薦する

ティトミック、次世代兵士システムを3DプリントするためTAUVと防衛に関する覚書を締結

IDCの最新予測：3Dプリンティングは2018年にアジアの主流市場に参入する

セラミック3Dプリント人工骨修復、Qiyu Technologyは機器から材料まで包括的なソリューションを実現

2018年アジア3Dプリンティング展の出展者リストの一部がリークされました。まさかこんなことになるとは思いませんでした

面外力検出のための3次元伸縮性ひずみセンサー

3Dプリントのコンセプトが再び人気を集め、多くの上場企業がこの分野での事業の進展に反応した。

レーザークラッディング法で堆積した Ti6Al4V-TiC 複合材料の微細構造と総合的な機械的特性に対する TiC 強化の影響

Wimba と Intrauma が協力し、HP 3D プリントを使用して獣医用装具を改良

SLM冷間工具鋼の割れメカニズム：残留応力、微細構造、局所元素濃度の役割（2）

スーパーカーに続いて、Divergent3D はスーパーバイクを 3D プリントしました!

ACS Omega: 光硬化による酸化グラフェン液晶の作製

eSUN ABS 素材ファミリーの新製品!多くのエンジニアリング材料がすぐにオンラインになります

FabRxは、圧力制御を通じて医薬品製造を最適化するために、圧力センサーを押出3Dプリントヘッドに統合します。

UBCの新しい「ダイレクトレーザー」バイオプリンティング技術により超高解像度を実現

付加製造プロセスの変動性