Применение 3D-печати металлами для изготовления медицинских имплантатов

Важным шагом на пути к «цифровой медицине» стало разрешение, данное Управлением по контролю качества пищевых продуктов и лекарственных препаратов США нескольким медицинским приспособлениям, произведенным с помощью 3D-печати.

3D-печать уже применяется в медицине для производства объектов непосредственно для пациентов, например, искусственных частей тела (бедренных, коленных и плечевых суставов, а также связанных с имплантатами изделий). Кроме того, технологии аддитивного производства помогают изготавливать уникальные объекты на заказ, такие как слуховые аппараты, стоматологические модели челюстей (которые в дальнейшем используются для создания коронок или брекетов), стельки для обуви, протезы и ортопедические имплантаты.

Отмечается, что с внедрением 3D-печати в любую отрасль медицины достигается оптимизация сети поставщиков и производственного процесса. Для изготовления предметов с помощью 3D-печати не нужны многоступенчатые схемы производства и дополнительная обработка. Кроме того, новые технологии позволяют снизить потребность в складских помещениях. Таким образом, снижаются издержки и сроки изготовления предметов, что особенно заметно, когда речь идет о небольших объемах поставок или производстве сложных частей (например, в ортопедии).Многие хирурги уже сейчас исследуют и тестируют процессы 3D-печати металлом для изготовления ортопедических имплантатов. Эти разработки обладают огромным потенциалом в силу следующих преимуществ:

1. Биологически совместимые металлические порошки

Один из важнейших аспектов в производстве хирургических имплантатов – подбор материалов, которые не будут вызывать нежелательные реакции со стороны соседних клеток и тканей. Свойства материала очень сильно влияют на поведение клеток, то есть их слипание, функциональные и морфологические изменения, размножение. Реакция организма пациента на имплантат зависит от топографии, химических и энергетических характеристик использованного материала.

Предпочтение в производстве имплантатов отдается чистому титану и его сплаву Ti6Al4V. Чистый титан более устойчив к коррозии и считается наиболее биосовместимым материалом. Он обладает способностью спонтанно формировать стабильный и инертный оксидный слой, будучи помещенным в окислительную среду. В случаях, когда необходим более прочный имплантат, врачи обычно выбирают сплав Ti6Al4V, который также устойчив к коррозии и хорошо выдерживает нагрузки, обладая при этом небольшой плотностью.

Другие биосовместимые металлы, также доступные в форме порошка – это нержавеющая сталь 316L и сплавы хрома и кобальта. 3D-печать металлами осуществляется в строго контролируемых условиях (нейтральные газы, ограниченный доступ кислорода). Тем самым обеспечивается чистота полученных предметов и сохраняются свойства материалов.

2. Более дешевые металлические имплантаты, сделанные на заказ

По сравнению с классическими методами производства имплантатов на заказ, требующими большого количества времени и денег, 3D-печать – это удивительно гибкий процесс. Она позволяет значительно снизить издержки на изготовление особого имплантата, тем самым позволяя подогнать его под требования конкретного пациента.

Имплантаты, изготовленные на заказ, обеспечивают больший комфорт и способствуют более быстрому выздоровлению. Индивидуально подобранная форма оптимизирует распределение нагрузки на кости и улучшает способность имплантата к адаптации, что избавляет хирургов от необходимости подгонять их в ходе операции. Как следствие, сокращается время операции и общие издержки, а также повышаются шансы на успех лечения.

3. Улучшенные механические характеристики

3D-печать позволяет производить устройства с лучшими механическими характеристиками, чем это возможно при использовании традиционных методов, таких как литье. При производстве с помощью технологий 3D-печати можно учесть особые металлургические аспекты и получить объекты с уникальной микроструктурой. Благодаря быстрому отводу тепла в зоне, расположенной рядом с лазерным лучом, можно получить особую структуру материала. Часть производственного процесса – последующая термальная обработка, которая также позволяет улучшить механические характеристики готовых изделий.

В результате появляется возможность изготавливать более легкие объекты с немного меньшей толщиной среза. При этом имплантатам можно придавать практически любые формы, обеспечивая пациенту повышенный комфорт.

4. Особенности использования 3D-печати металлами для имплантатов в ортопедии

Титан обладает высоким модулем упругости, что приводит к разнице в эластичности имплантата и костей, тем самым ограничивая возможности применения материала. Низкий модуль упругости позволяет избежать перераспределения нагрузки с костей в сторону имплантата, что приводит к снижению плотности костей. 3D-печать металлами является уникальным процессом, в ходе которого можно контролировать степень пористости материала на разных участках изделия. При повышении размера пор титана снижается его модуль упругости, так что 3D-печать позволяет производить имплантаты, схожие по механическим характеристикам с костями человека.

Кроме того, традиционно металлические имплантаты изготавливаются с помощью обработки резанием, а затем их поверхность покрывается пористым материалом, который способствует врастанию кости и помогает имплантату прижиться. С другой стороны, в ходе 3D-печати металлами можно получить сочетание плотной структуры и пористой поверхности непосредственно в процессе производства. Кроме того, при установке имплантата, изготовленного с помощью 3D-печати, благодаря грубой структуре его поверхности почти отсутствует необходимость подготовительных процессов, что позволяет сэкономить время и деньги.

В качестве заключения можно отметить, что область хирургических био-имплантатов, несомненно, выиграет от применения 3D-печати, поскольку она позволяет производить объекты на заказ, ускоряя выздоровление пациента. Конечно, исследования и разработки в этой сфере только начаты, а основные прорывы еще впереди. Тем не менее, 3D-печать металлами уже сейчас позволяет оптимизировать процесс производства ортопедических имплантатов, сокращая издержки и сроки производства.