Группа испанских исследователей переосмысливает процесс изготовления титановых имплантатов и делает это с помощью 3D-печати. Команда проекта ATILA использовала технологию аддитивного производства металлов (AM) Meltio для производства титановых деталей для тазобедренного и коленного суставов. Этот шаг может сделать будущие имплантаты более эффективными, долговечными и простыми в настройке для пациентов.

Проект ATILA, возглавляемый AIDIMME , исследовательским институтом в Валенсии, объединяет инженеров, исследователей из больниц и компанию Meltio, производителя 3D-принтеров по металлу из Линареса (Испания). Цель проекта — использовать технологию лазерного напыления металла (LMD) Meltio для создания имплантатов, соответствующих строгим стандартам медицинского назначения, и сделать это более экологичным и менее отходным способом, чем традиционные методы.

Печать проволокой, а не порошком

В большинстве случаев при 3D-печати металлом в здравоохранении используется металлический порошок, который может быть дорогим и сложным в обращении . Сам порошок стоит дороже, чем сплошная проволока, и его необходимо хранить и обрабатывать с осторожностью, чтобы избежать загрязнения или окисления. В процессе печати часть порошка теряется внутри аппарата и не может быть использована повторно, что означает дополнительные отходы и необходимость очистки. Кроме того, необходимо соблюдать строгие правила безопасности, поскольку мелкая металлическая пыль может быть опасна при вдыхании или контакте с искрами.

Вместо этого система Meltio обещает получать отпечатки непосредственно из сварочной проволоки — твердого металлического сырья, с которым проще работать, которое дает меньше отходов и снижает риск загрязнения.

Для исследователей это не просто удобно; это может стать прорывом в области устойчивого развития медицинского производства. Использование проволоки вместо порошка означает более чистое производство, меньшие потери материала и более простое хранение, объясняют они. Кроме того, это безопаснее для лаборантов и больничных служб.

По словам команды ATILA, это первый случай в Испании, когда титановые биомедицинские имплантаты были изготовлены с использованием 3D-печати металлом с подачей проволоки.

От лаборатории к живой ткани

На данный момент команда сосредоточилась на трёх ключевых компонентах имплантата: вертлужной впадине (впадине тазобедренного сустава), большеберцовом лотке (металлическом основании, поддерживающем пластиковую подушку в коленном импланте) и бедренном компоненте (детали, заменяющей нижнюю часть бедренной кости при эндопротезировании коленного сустава). Это сложные детали, которые должны быть одновременно прочными и лёгкими, а также идеально подходить к телу. Ещё интереснее то, что все эти требования делают их идеальными кандидатами для 3D-печати.

Предварительные испытания показали, что использованный титановый сплав Ti6Al4V марки 23 соответствует международным стандартам для имплантационных материалов. Образцы прошли испытания на прочность на разрыв, эластичность и удлинение, что подтверждает их механическую прочность без необходимости дополнительной термической обработки.

Но печать прочных деталей — это лишь часть задачи. Для успешного имплантата необходимо его интегрировать в кость. Этот процесс называется остеоинтеграцией. Поверхность имплантата играет ключевую роль в росте костной ткани и её связи с материалом.

«Обработанные титановые поверхности не способствуют остеоинтеграции и могут привести к расшатыванию имплантата. Поэтому их необходимо модифицировать, чтобы улучшить геометрию, шероховатость и химические свойства для ускорения остеоинтеграции за счёт лучшей адсорбции белков и роста клеток. Состав, шероховатость и гидрофобность поверхности играют важнейшую роль в этом процессе», — пояснила Дженни Самбрано, представитель исследовательского проекта ATILA и исследователь AIDIMME в Валенсии.

Команда проекта сейчас экспериментирует с различными видами обработки поверхности, такими как пескоструйная обработка, кислотное травление и анодирование, чтобы улучшить реакцию костных клеток. Для оценки результатов уже проводятся испытания in vitro и in vivo , включая испытания на животных.

Локальные инновации, глобальный потенциал

Проект ATILA демонстрирует, как национальные и финансируемые Европейским союзом инициативы могут помочь местным исследованиям конкурировать на мировом уровне. Проект поддерживается Министерством науки и инноваций Испании , ЕС и Государственным исследовательским агентством .

AIDIMME, головной институт проекта, занимается аддитивным производством с 1990-х годов и в настоящее время является одним из ведущих в стране центров исследований и разработок в области промышленных материалов. Сотрудничество проекта с Главной университетской больницей Валенсии и Университетом Саламанки демонстрирует глубокую междисциплинарную связь этого проекта, объединяющего медицинские потребности, материаловедение и передовые производственные технологии.

Для Meltio это также важная веха. Последние несколько лет компания продвигала свою технологию проволочного лазера не только в промышленных целях, таких как аэрокосмическая промышленность и энергетика, но и в новых областях, таких как здравоохранение и научные исследования. Проверка системы на биомедицинские применения подтверждает, что доступная проволочная печать металлом может обеспечить тот же уровень качества, что и более дорогие системы на основе порошка.

Имплантаты, созданные в рамках проекта ATILA, всё ещё находятся на стадии исследований, но достигнутый прогресс обнадёживает. Если исследования in vivo подтвердят предварительные механические и биологические результаты, следующими шагами станут нормативные испытания и, возможно, клинические испытания, поясняют исследователи.

Этот путь может занять годы, но в его основе лежит технология, которая является экономически эффективной, устойчивой и позволяет производить полностью соответствующие требованиям медицинские титановые детали.

Более того, исследователи полагают, что успех этих испытаний может открыть путь к более доступным, индивидуальным имплантатам, особенно для государственных больниц и небольших медицинских учреждений, которые не могут позволить себе традиционные установки для металлической печати. ​​Одна из главных идей нашумевших «больниц будущего» заключается в том, чтобы учреждения могли производить титановые имплантаты на месте, и этот проект приближает эту идею к реальности. В конечном итоге, 3D-принтеры с проволочной подачей могут стать тем инструментом, который поможет воплотить это в жизнь.

Источник