ヒメドの研究は、3Dプリントされたチタンインプラントにおける後処理の重要性を確認した

3D プリントされたチタンおよびチタン合金の医療用インプラントの場合、表面の最適化は単なる機能強化ではなく、絶対に必要なものです。バイオセラミックコーティングと 3D プリントされたバイオセラミック材料の専門家である Himed 社 (バイオセラミック 3D プリントにおける Lithoz 社のパートナー) は、慎重に設計された表面トポグラフィーが骨結合の成功に不可欠であり、新しい骨をインプラントにしっかりと固定できることを実証しました。特に、Himed 独自の MATRIX MCD テクノロジーを使用したアパタイトブラスト後処理により、整形外科用チタンインプラントの優れたサービス性能が実現します。

科学的研究により、最適化された表面テクスチャが骨の接着を改善し、より強力な組織統合を促進することが確認されています。減算製造法でも加法製造法でも、表面の凹凸を除去して生体適合性を向上させるには後処理が重要です。
3D プリントされたインプラントの場合、後処理は、付加製造プロセスの微細な副産物である残留チタン粒子を除去する上で重要な役割を果たします。対処せずに放置すると、これらの粒子は重大なリスクをもたらし、滅菌中、包装中、さらには移植後に剥がれ落ちて、深刻な合併症を引き起こす可能性があります。
△積層造形された Ti64 スパインスペーサーの SEM 倍率を上げると、残留ビーズ間のスケールの違いがわかります。すべての画像はHimed, LLCの所有物です。
3D プリントされたチタンインプラント内の残留粒子<br /> 高解像度画像、特に走査型電子顕微鏡 (SEM) により、3D プリントされた Ti64 脊椎スペーサーの複雑な表面と空洞にチタン粒子が頻繁に埋め込まれていることが明らかになりました。潜在的な臨床リスクを防ぐために、これらの残留粒子を正確に除去する必要があります。さらに、ビルドプラットフォームとの接触点によって表面の凹凸が生じるため、滑らかで一貫した質感を確保するには、これをトリミングする必要があります。
チタン自体は生体適合性があるものの、剥がれたチタン片の長期的な生理学的影響は不明のままです。医療用インプラントの構造的および生物学的完全性を維持するために、後処理では、新たな汚染物質の混入を防ぎながら、これらの残留粒子を効果的に除去する必要があります。さまざまな後処理技術の中で、チタン基板を損傷することなく一貫して完全な除染を実現できる方法は 1 つだけです。
一般的な後処理技術
酸化アルミニウム (Al₃) ブラストは、モース硬度が 9 の酸化アルミニウム (アルミナ) をベースとしており、非常に高い硬度のため研磨剤として広く使用されています。残留チタンビーズを効果的に除去し、インプラントの表面を精製することができます。しかし、その脆い性質のため、酸化アルミニウムの破片は衝撃を受けると、より柔らかいチタンの表面に小さな粒子を埋め込む可能性があります。これらの介在物は、酸処理後でも金属内に閉じ込められ、完全に除去することがほぼ不可能であるため、非常に問題となります。
△アルミナグリットでサンドブラストした後の 3D プリント Ti64 脊椎スペーサーの SEM 画像。表面全体の暗い部分に注目してください。これらは、塗布プロセス中に Ti 表面に埋め込まれた研磨剤を表しています。すべての画像はHimed, LLCの提供によるものです。研究により、アルミナ汚染によってインプラントの元素組成が変化し、埋め込まれた粒子がインプラント後に剥がれ落ちて生体適合性の問題を引き起こす可能性があることがわかっています。 SEM 画像により、チタン表面の奥深くに埋め込まれたアルミナ粒子の存在が確認されました。一方、エネルギー分散型X線分光法（EDX）によりアルミニウム汚染の持続性がさらに検証され、医療用インプラントの後処理におけるこの方法の信頼性が制限されました。
ガラスビーズブラストは、アルミニウム粒子の汚染を減らすことで、酸化アルミニウムの代替手段となります。モース硬度 5.5 のガラスビーズは、酸化アルミニウムよりも穏やかでありながら、表面の凹凸を除去するのに十分な強度を持っています。しかし、酸化アルミニウムと同様に、ガラスビーズは衝撃を受けると壊れやすく、チタン表面に小さなシリコン含有残留物が残ります。
この技術はアルミニウム関連の汚染を減らす一方で、シリコン破片という別の問題も生じさせます。 EDX 分析により、処理後もシリコン残留物が残っていることが示されました。つまり、この方法ではチタン表面が無傷のままであることを保証できないということです。これらの残留粒子は、インプラントの長期的な機械的安定性と全体的な生体適合性に影響を及ぼす可能性があります。
最終的な後処理の選択
ヒメド氏は、アパタイトブラストは高度な後処理技術だと言う。同社独自のMATRIX MCD技術は、有効性と安全性の点で従来の後処理方法を上回っています。この方法では、骨の組成に自然に存在するヒドロキシアパタイトとリン酸三カルシウムからなるリン酸カルシウムベースの研磨媒体を使用します。酸化アルミニウムやガラスビーズブラストとは異なり、アパタイト研磨剤は完全に溶解性があり、ASTM F86 不動態化後に完全に溶解し、異物汚染物質は残りません。
MATRIX MCD アプローチにより、チタン表面に残留粒子が埋め込まれることがなくなり、比類のない生体適合性が実現します。結果として得られる微細地形は骨結合を強化し、細胞接着と骨の成長に最適な構造を提供します。アパタイト研磨材には幅広い粒子サイズが用意されているため、複雑なインプラント形状を高精度に仕上げることができます。さらに、このプロセスによりインプラントの構造的完全性が維持され、機械的信頼性にとって重要な厳密な寸法公差が維持されます。
△ <53μm アパタイト研磨剤を使用した MATRIX MCD の不動態化後の結果を示す SEM シーケンス。粒子サイズは精製表面の相対的な滑らかさに影響し、MCD が大きいほど (425～180 μm)、表面の凹凸は粗くなります。すべての画像はHimed, LLCの提供によるものです。アパタイトブラストはモース硬度5で、制御された均一な表面仕上げを実現し、処理パラメータに応じて1.0μm～3.2μmの表面粗さ（Ra）を実現します。アルミナやガラスビーズのブラストとは異なり、サンドブラストは不動態化後のチタンの絶対的な純度を保証するため、3D プリントされたチタンインプラントの後処理に最適です。
SEM 分析により、Himed 社の MATRIX MCD アパタイトでブラスト処理したインプラントは、完全にテクスチャ化された汚染のないチタン表面を呈していることが確認されました。他の後処理技術とは異なり、このアプローチでは埋め込まれた粒子が除去され、最高の純度が保証されます。数十年にわたる改良を経て、この技術は整形外科および歯科インプラントの製造に求められる厳格な品質基準を満たすまでに完成しました。
医療用インプラントの場合、表面の組成と質感は安全性と臨床性能に直接影響します。アルミナおよびガラスビーズのブラスト処理では、インプラントの完全性を損なう可能性のある異物残留物が発生する可能性がありますが、アパタイトのブラスト処理では、生体適合性があり残留物のないソリューションが提供されます。 3D プリントチタンインプラントの分野が進歩し続ける中、最適な後処理方法を選択することは、インプラントの寿命と臨床的成功を保証する上で依然として重要な要素です。

ヒメドの研究は、3Dプリントされたチタンインプラントにおける後処理の重要性を確認した

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