FDMワイヤー堆積成形を使用したマグネシウム複合生分解性ポリマー3Dプリント材料研究における新たなブレークスルー

この投稿は warrior bear によって 2022-6-29 21:45 に最後に編集されました。

2022年6月29日、南極熊は、医療用チタン合金材料は長期インプラントにしか適しておらず、分解性インプラントのニーズに合わせるのが難しいという問題を解決するために、浙江大学台州研究所材料科学工学研究所のチームがマグネシウム複合分解性ポリマー3Dプリント材料の研究で新たなブレークスルーを達成したことを知りました。
永久整形外科インプラントにおいて、チタン合金などの金属は優れた生体適合性と耐腐食性を備えており、人体に埋め込まれた後、長期間人体の骨格と共存し、患者が通常の生活に戻るのに役立ちます。ただし、すべてのインプラントを永久に体内に残す必要はありません。デバイスを除去するには二次手術が必要となり、さらなる損傷とコストの増加につながります。マグネシウム複合生分解性ポリマー 3D プリント材料は、この問題を効果的に回避できます。
△3種類のバイオニック構造ブラケットマグネシウム複合分解性ポリマー3Dプリント材料は、マグネシウム粉末またはマグネシウム合金と分解性ポリマーを複合して製造される新興材料です。このタイプの材料は主に生物医学研究の分野で使用されており、骨組織工学、骨創傷治癒などへの幅広い応用が期待されています。
△マグネシウム足場の印刷テスト結果、写真は「マグネシウム足場の溶媒キャスト3D印刷」/ Acta Biomaterialiaより
マグネシウム合金の従来のレーザー3Dプリントの課題

AM 分解性マグネシウムベースのインプラントは、低い蒸発温度、高い蒸気圧、高い酸化傾向など、マグネシウム合金の固有の特性により、一連の課題に直面しています。

粉末調製の難しさ

マグネシウム粉末の製造には非常に高い要件があり、不注意があると爆発を引き起こす可能性があります。現在、市場で一般的に使用されているマグネシウム合金粉末は、純マグネシウム粉末、AZ91D粉末、WE43粉末のみです。ただし、アルミニウムは生物学的に有毒であり、AZ91D合金には9％（質量分率）のアルミニウムが含まれているため、AM分解性マグネシウムベースのインプラントの研究には、純マグネシウムとWE43粉末のみに適しています。

マグネシウム粉末を製造する基本的な方法には、機械的粉砕、溶融金属噴霧、蒸発凝縮、電気分解などがあります。AM分解性金属インプラントに適した粉末の粒子サイズは20〜70μmです。現在、このような粉末のほとんどはガス噴霧法で製造されています。しかし、不活性ガス噴霧法で製造されるマグネシウム粉末の粒子サイズは数ミクロンから0.5～1.0mmの範囲であり、AM研究に利用できる粉末の利用率が低いという問題がありました。

粉の飛散

マグネシウム合金の 3D 印刷プロセスでは、マグネシウム合金の蒸発温度が低く、蒸気圧が高いため、深刻な粉末飛散が発生します。この現象は、鋼、チタン、アルミニウム合金の AM プロセスとは大きく異なります。粉末の飛散により、マグネシウム合金 AM プロセスの安定性が大幅に低下する可能性があります。これは、一部のマグネシウム粉末がスキャニングパスに沿って蒸気によって除去され、その後のスキャニングパスで欠陥が発生する可能性があるためです。したがって、マグネシウム合金 AM プロセスでは、粉末を補充する戦略を採用する必要があります。しかし、マグネシウム粉末の蒸発、ガスの流れ、レーザー入力の相互作用に関する研究はありません。マグネシウム粉末の蒸発傾向を減らすことも、別の解決策となる可能性があります。 Zumdick らは、非常に低いエネルギー入力で WE43 バルクを作製することに成功しました。彼らの方法では、印刷面がレーザービームの焦点面に対してわずかにオフセットされ、スポット径が約 125 μm になりました。これは、初期のスポット径の約 90 μm よりも大きく、WE43 バルクを作製するためのエネルギー入力が 2 分の 1 に削減されました。

割れ目

マグネシウム合金は、3Dプリント中に割れることがあります。割れの原因はまだ不明ですが、前述の粉の飛散と関係がある可能性があります。エネルギー入力が低いと、粉末の飛散が減少するため、割れる傾向も減少します。下の図は、SLM プロセス中に Mg-15Gd-1Zn-Zr マグネシウム合金 (GZ151K) に形成される典型的な亀裂を示しています。

△ 3DプリントされたG51Kサンプルのひび割れ
3D プリントされた骨修復用足場<br /> マグネシウム自体の化学活性が高く、ポリマー材料とマグネシウムの性能差が大きいため、材料の調製が難しく、このタイプの材料の大規模な開発と応用には制限があります。
このような状況に対応するため、浙江大学台州研究所材料科学工学研究所の研究チームは、純粋なマグネシウム粉末とポリマーを複合材料として利用し、マイクロナノマグネシウム粉末の製造、化学的安定性の改質、適合性プロセス制御などの重要な技術を突破し、マグネシウム複合3Dプリント材料を開発しました。

この材料は、FDM プリンターで印刷および成形できます。製造されたワイヤーは、金属の質感が良好、性能が安定、印刷が滑らか、印刷精度が高く、歩留まりが高いなど、優れた特性を備えています。従来のマグネシウム複合材料の成形プロセスと比較して、コストが大幅に削減されます。
研究チームは近い将来、このタイプの新素材に関する一連の生物学的実験を開始し、バイオメディカル分野、特に骨外傷修復の分野における新素材の積極的な応用を模索する予定です。
一方、当社は既存の技術成果を基に、性能向上と安定性強化に向けた技術ルートをさらに最適化し、早期の産業化を目指し、国際的な最先端分野におけるこの種の材料の大きな応用ブレークスルーを実現します。この研究は現在、国家科学研究プロジェクトによって支援されています。
3Dプリントされた生分解性マグネシウム複合材料の研究

マグネシウム複合多機能スキャフォールドは、生体適合性が良好で、分解を制御できます。さらに、マグネシウム金属粒子は近赤外線光熱効果が良好です。マグネシウム複合多機能スキャフォールドは、近赤外線反応条件下で残存腫瘍を迅速に除去し、腫瘍の再発を効果的に抑制できます。放出されたマグネシウムイオンはその後の骨再生を促進し、スキャフォールドに腫瘍の再発抑制と欠陥骨の修復という2つの機能を与えます。

2019年3月、シンガポールの研究チームはインクジェット3Dプリントを利用して、3Dプリントプロセスにおけるマグネシウム粉末の高い化学親和性、低沸点、高蒸気圧の難点を克服し、焼結前後のマグネシウム合金グリーン体の状態変化を研究した。

△ 535℃から610℃までの異なる温度で5時間焼結したマグネシウム合金サンプル
2021年11月、中国科学院深圳先端技術研究所の頼玉暁教授らの研究チームは、骨腫瘍治療と骨欠損修復のための統合活性生体材料を革新的に構築した。金属マグネシウム粒子とPLGAポリマーの複合材料システムをベースに、「腫瘍抑制+骨形成促進+機械的適応」の機能を備えた統合活性スキャフォールドを構築した。 3Dプリント技術を橋渡しとして、マクロ/ミクロの多重構造バイオニクス、機械的適応、制御可能な構成を備えた複合多孔質スキャフォールドの精密製造を実現しました（図1）。材料科学、イメージング、組織学、分子生物学などの手段を通じて、マグネシウム複合多機能スキャフォールドの構成構造と分解特性、光熱特性、および生体内分解生成物と腫瘍抑制および骨形成促進との間の生物学的メカニズムを深く探究しました。関連論文リンク: https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S0142961221003069

△ a. 低温3Dプリント技術を用いて、異なる組成のマグネシウム複合多機能スキャフォールドを作製した。 bg. マグネシウム複合多機能スキャフォールドの材料微細構造をSEMで調査しました。断面と縦断面の観察により、スキャフォールドの接続性が良好で、5μmから50μmの微細孔が孔壁に分布しており、構造的なバイオニック海綿骨の効果が得られていることが示されました。エネルギー分散型分光法（EDS）を使用して、材料の表面全体の元素分布を分析し、金属マグネシウム粒子がブラケット内に均一に分散されていることを証明しました。 hj. マグネシウム複合多機能スキャフォールドのマイクロCTスキャン観察。

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