1007
правок
Изменения
Добавил дополнительные категории
Данная статья является переводом статьи [https://www.researchgate.net/publication/337657781_A_Review_on_Additive_Manufacturing_for_Bio-Implants "A Review on Additive Manufacturing for Bio-Implants"] под авторством Tajeshkumar R Jadhavи опубликована в ноябре 2019. Статья распространяется на условиях лицензии Creative Commons 4.0 Attribution International. Авторы перевода: [[Ответственный::User:Avp|avp]], [[User:magnapinna|magnapinna]]
== I. Введение ==
=== B. Современные технологии производства ===
[[File:Am-process-diagram.jpg|thumb|Рис. 1 -- Диаграмма процесса аддитивного быстрого прототипирования.]]]
В текущем цифровом веке цифрового производства такие технологии, как сканеры для компьютерной томографии (КТ сканирование костей) и для магнитно-резонансной томографии (МРТ для мягких тканей), используются для изучения и создания трёхмерных компьютерных моделей любой повреждённой кости или мягкой ткани в человеческом теле.<ref group="original-sources" name="11-bernd"/><ref group="original-sources" name="12-diffen"/><ref group="original-sources" name="13-grenda"/> Эти модели могут быть импортированы в <abbr title="Система Автоматизированного Проектирования">САПР</abbr> для создания моделей-реплик повреждённых областей. Этот процесс позволяет в дальнейшем создать и произвести сложные пористые структуры био-скаффолдинга с помощью аддитивного быстрого прототиптрования (RP), также известного, как 3D-печать, или, в более общем смысле, аддитивного производства. Существует несколько видов технологий аддитивного <abbr title="Rapid Prototyping">RP</abbr>-производства -- которые, как правило, отражают способ формирования готового изделия. Все техники используют схожий процесс, описанный ниже, с различиями стадии печати (изготовления.) Обратите внимание, что подпроцесс конвертирования в машинные команды выполняется через сохранения <abbr title="Система Автоматизированного Проектирования">САПР</abbr>-файла в формат <code>.STL</code> (стереолитография.) Рисунок 1 показывает процесс, который используется в аддитивном производстве.
=== A. Fused Deposition Modelling (FDM) ===
[[Файл:Am-fdm.jpg|thumb|Рис. 2 -- Fused Deposition Modelling (FDM)]] Слой за слоем, геометрия поперечного сечения детали выкладывается с помощью экструдирования материала в виде лески (филамента) через сопло с контролируемой температурой нагрева. После того, как расходный материал выходит из сопла, он затвердевает и прикрепляется к слою ниже.<ref group="original-sources" name="14-additive-fabrication"/> Материалы, используемые в данной технологии -- это, в основном, термопластики, такие, как: ABS, Polycarbonate, биоразлогаемый PLA или PLGA<ref group="original-sources" name="15-yen"/>, а также материалы с низкой температурой плавления.<ref group="original-sources" name="16-dao"/> Эта технология известна грубостью поверхности изготовленной детали, медленную скорость производства и значительными ограничениями на минимальный размер стенок, накладываемыми диаметром сопла. Также при печати требуется поддерживающий материал.<ref group="original-sources" name="14-additive-fabrication"/><ref group="original-sources" name="16-dao"/> (рис. 2)
=== B. Tree-Dimensional Printing (3DP) ===
[[Файл:Am-3dp.jpg|thumb|Рис. 3 -- Three-Dimensional Printing (3DP)]]
Слой за слоем, пудра из материала выкладывается тонким слоем и струйная печатающая головка с жидким связующим веществом склеивает частицы материала вместе<ref group="original-sources" name="16-dao"/> (рис. 3.) Материалы для 3D-печати включают в себя полимеры, керамику, песок и металлическую пудру (например, из нержавеющей стали.) Технология известна быстрой скоростью печати, грубостью поверхности изготовленной детали, непрочными деталями и возможностью многоцветной печати. Поддерживающий материал не требуется, но требуется пост-обработка и укрепление детали.<ref group="original-sources" name="14-additive-fabrication"/> В данной технологии могут быть использованы биосовместимые и биоразлагаемые материалы, однако сложен процесс поиска правильного связывающего вещества. Из-за размера зерна расходного материала, наличия связывающего материала и методов пост-обработки, технология 3DP имеет ограничения в использовании био-молекул и в минимальном размере создаваемого объекта.<ref group="original-sources" name="17-bose"/>
=== C. Stereolithography (STL или SLA) ===
[[Файл:Am-stl.jpg|thumb|Рис. 4 -- Stereolithography (STL/SLA)]]
Ультрафиолетовый лазер фокусируется на ёмкости с фоточувствительным полимером, очерчивая контуры одного слоя объекта за один проход. Эта технология известа высоким качеством поверхности напечатанного объекта и высокой детализацией, средней скоростью печати и широким спектром доступных материалов. Стереолитография требует создание поддержек, их последующее удаление и пост-обработку.<ref group="original-sources" name="14-additive-fabrication"/><ref group="original-sources" name="16-dao"/>
=== D. Selective Laser Sintering (SLS) ===
[[Файл:Am-sls.jpg|thumb|Рис. 5 -- Selective Laser Sintering (SLS)]]
Технология SLS комбинирует выборочное отвердение исходного материала в SLA и склейку измельчённого в пудру материала из 3DP. В целом эта технология известна средним качеством поверхности из-за размеров частиц исходного материала,<ref group="original-sources" name="16-dao"/> хорошей стабильностью и функциональностью готового изделия, быстротой печати и широким спектром материалов -- таких, как резино-подобные материалы (SOMOOS), био-совместимые и био-разлагаемые полимеры и металлические композиты, применимые в условиях высоких температур. Технология SLS не требует поддерживающий материал, и напечатанным деталям требуется лишь минимальная пост-обработка<ref group="original-sources" name="14-additive-fabrication"/> (рис. 5.)
== IV. Био-импланты и их типы ==
Био-импланты обычно обладают требованиями, специфическими для каждого потребителя и производятся в небольших объёмах. Как следует из их названия, био-импланты предназначены для клинического применения в медицине, такого, как пористые импланты, протезы, инструментов доставки лекарств. Они называются имплантами, так как они обычно в том или ином виде имплантируются в тело человека на длительный период времени.
Существуют три вида био-имплантов, которые можно классифицировать следующим способом:
* Биологические импланты
* Биологизированные импланты
* Био-функциональные импланты
Различия между этими тремя категориями заключается в количестве клеточных компонентов, которые состовляют имплант.
=== A. Биологические импланты ===
Биологические импланты производятся из биологических материалов, таких, как клетки, белки и т.п., посредством био-печати. Обычно для изготовления био-импланта требуются два основных компонента; в первую очередь это -- био-принтер, содержащий материалы, такие, как живые клетки (например, стволовые клетки или тканевые сфероиды, биоразлогаемые скаффолды/матрицы, или гидрогели, которые используются для задания 3D-формы создаваемого органа.) Печать органов можно определить, как компьютерезированный процесс, в котором клетки или клеткосодержащие материалы размещаются в форме агрегатов, которые затем используются в качестве строительных блоков, собираемых в дальнейшем в готовый функциональный 3D-орган. Возможность создавать копии органов через точное позиционирование множества клеток в необходимых местах может позволить коммерчески производить органы, адаптированные для пациентов. Обычно это требует интеграции трёх областей:
# функциональность клеток, гарантирующая, что каждая клетка делает свою работу;
# производство органа или ткани через комбинирование клеток и 3D-скаффолда, с использованием техник био-производства
# оценка созданных био-структур, с акцентом на проблемах иммунологии, токсичности и возможности импланта сохранять его форму после имплантации.
Хотя на данный момент нет полноценных напечатанных органов, но с развитием технологий проведением исследований мы можем увидеть применение данной технологии раньше, чем думаем.
=== B. Биологизированные импланты ===
Биологизированные импланты изготавливаются из клеточных материалов и перманентных био-материалов. Различие между био-имплантами и биологизированными имплантами заключается в способности биоразложения 3D-структуры. Структуры в биологизированных имплантах являются перманентными и неразлагаемыми биологически. Перманентные биоструктуры в таких имплантах био-совместимы и являются предоставляют механическую основу для клеточной колонии. Большая часть биоматериалов, используемых в имплантах, биоинертны (материалы не реагируют с тканями тела; имплант покрывается тонким слоем слизистой мембраны.) Например, нержавеющая сталь, тантал, золото, нитинол и т.д. Этот раздел ставит акцент на ортопедических и дентальных имплантах, в основном создаваемых из металлов и использующих непрямой способ печати с применением титана и его сплавов. Большая часть дентальных имплантов и множество других ортопедических имплантов использую титан и его сплавы. Использование аддитивного производства в стоматологии имеют большой потенциал из-за потребности в этой области производить импланты со сложной геометрией, малым объёмом производства и потребностью персонализированной адаптации под пациента. Было проведено исследование прямого применения технологий SLS и SLM для печати стоматологических протезов из нержавеющей стали и сплавов Ti6Al4V CoCr. Также были изучены другие исследования применения технологии SLM в стоматологии. Есть большой потенциал в применении быстрого прототипирования и аддитивного производства в стоматологической области.
=== C. Био-функциональные импланты ===
Биофункциональньность подразумевает оптимальное использование поверхности импланта для практических целей. Это означает, что после имплантации, биоактивная поверхность подобного импланта взаимодействует с биологическим окружением тела. В этих случаях требуется разработка и правильное применение адаптированных свойств основных материалов импланта. Материалы биофунциональных имплантов обычно биологически активных. Под биоактмвными поднимаются материалы, которые интегрируются в организм без образования капсулы вокруг, и формирующие постоянную связь с окружающими тканями. К ним относят стеклокерамику, гидроксиапатит и стеклоиономерный цемент. Было показано, что спользование скаффолдов, изготовленных методом 3DP из гидроксиапатита или трикальцийфосфата (TCP), может улучшить пролиферацию и распространение клеток, по сравнению с существующими коммерческими продуктами -- такими, как замена кости BioOss®. Команда Эльке, используя 3DP, смогли распечатать имплант с гидроксипропилметилцеллюлозой (HPMC) и трикальцийфосфатом (TCP), локализованной органической биоактивной нагрузкой (рекомбинантный костный морфогенный белок 2 (rhBMP-2), гепарин (модельный полисахарид) и ванкомицин (антибиотический гликопептид) и локализованным контролем диффузии одновременно.<ref>E. Vorndran, U. Klammert, A. Ewald, J. E. Barralet, and U. Gbureck, "Simultaneous Immobilization of Bioactives During 3D Powder Printing of Bioceramic Drug-Release Matrices," Advanced Functional Materials, vol. 20, pp</ref>
=== D. Инжиниринг тканей и регенеративная медицина ===
Инженерия тканей -- это применение принципов и методов инжиниринга и естесственных наук для создания живой ткани для замены или восстановления сбоящего органа, повреждённой или отсутствующей части тела.<ref group="original-sources" name="1-skalak"/> Термин "инжиниринг тканей" был впервые представлен научному сообществу в 1993 году авторами Langer и Vacanti<ref group="original-sources" name="2-langer"/> в контексте разработки биологических протезов, которые поддерживают, улучшают или восстанавливают функцию тканей. Продукты инжиниринга тканей (<abbr name="Tissue Engineering Products">TEPs</abbr>) обычно являются кобминацией трёх компонентов, например изолированных клеток, внеклеточного матрикса (всех клеток, окружённых сложной смесью неживого материала) и сигнальных молекул, таких, как факторы роста. Структура, обычно назваемая "скаффолдом" предоставляет новые возможности для внеклеточного матрикса, поддеживая трёхмерное пространство для формирования новых тканей с необходимыми функциями. Хорошо известно, что взаимодействие клеток и внеклеточного матрикса имеет большое значение для функционирования конечного изделия. Полимеры имеют прекрасные физические свойства, такие, как большая площадь поверхности, высокая пористость, взаимосвязь пор в случае с нановолокнисными матриксами с хорошо контролируемой скоростью разложения и биосовместимостью полимерной основы, что делает их идеальными кандидатами для разработки скаффолдов для инженерии тканей.<ref group="original-sources" name="3-nair"/>
=== E. Нано-материалы и импланты ===
[[Файл:Am-scaffolds.jpg|thumb|Рис. 6 -- Скаффолды для периоднтальной регенерации,, произведённые аддитивным способом: (a) Biphasic scaffold facilitating fiber orientation (b) Biphasic scaffold in combination with cell sheet technology (c) Enhanced biphasic scaffold (d)Triphasic scaffold (e) First additively bio manufactured scaffold forperiodontal regeneration applied in human]] Физические и химические характеристики обычных макро-материалов полностью отличаются по сравнению с более мелкими наночастицами; в частности, квантовые эффекты становятся более явными для частиц материи размером 100нм или меньше.<ref group="original-sources" name= Ограничения "4-sichert"/> Одно из свойств нано-материалов, заключающийся в пропорционально большой площади поверхности по сравнению с объёмом, позволяет нанофазным материалам более легко вступать в реакцию с окружающими структурами. Некоторые исследователи показали, что нанокристаллический слой способствует росту и связке окружающей костной ткани.<abbr titleref group="Additive Manufacturingoriginal-sources"name="18-murphy"/>AM<ref>Добавил 18-ю ссылку, хотя в оригинале на неё авторы не ссылаются. Судя по контексту, это -- самое подходящее место. -- [[User:avp|avp]]</abbrref> In vitro исследования также показали, что костнообразующие клетки (остеобласты) лучше прикрепляются и поставляют больше кальция на материалы с размером зерна в микрометрическом диапазоне.<ref group="original-технологий sources" name="6-shrivastava"/> Надлежащее, координированное функционирование всех клеток необходимо для формирования и поддержания здоровой костной ткани и, таким образом, надёжной связи между имплантом и окружающей костью.<ref group="original-sources" name="5-park"/> Это крайне важно для имплантов, которые прикрепляются без использования костного цемента. Тонкий слой нанокристаллической структуры на искусственных имплантах, таких, как искусственные бёдра (которые обычно изготавливаются из титана или сплавов кобальта и хрома) может помочь уменьшить проблемы износа или разнашивания импланта. Нанокристаллическая структура более жёсткая, гладкая, является хорошим связующим, и, как результат, приводит к большему сопротивлению к износу искусственного сочленения, который обычно изготавливается из специального вида полиэтилена. Гидроксиапатит являтся натуральным компонентом кости, 70% которой состоит из гидроксиапатита, и 30% состоит из органических волокон (коллагена.) Покрытие гидроксиапатитом с размером зерна в области медицины нанометровом диапазоне вместо микрометрового делает имплант более биосовместимым и более похожим на естесственный гидроксиапатит кости, который также имеет нанокристаллическую структуру (с размером зерна менее 50нм.) Наночастицы гидроксиапатита также могут быть использованы для восстановления костной ткани повреждённой кости, что было впервые показано в Маастрихском университетском госпитале ([https://en.wikipedia.org/wiki/Maastricht_UMC%2B Maastricht UMC+]) в 2000-м году, при использовании искусственного бедра с нанокристаллическим слоем гидроксиапатита. Кроме гидроксиапатита, другие материалы, такие, как алмаз или керамика, могут быть использованы при создании импланта.<ref group="original-sources" name="6-shrivastava"/>
== V. Ограничения <abbr title="Additive Manufacturing">AM</abbr>-технологий в области медицины ==Хотя без сомнения медицинские модели являются хорошими помощниками в решении сложных хирургических проблем, существуют множественные недостатки <abbr title="Additive Manufacturing">AM</abbr>-технологий, связанных с их использованием в области создания медицинских моделей. Одна из причин этого отчасти заключается в том, что <abbr title="Additive Manufacturing">AM</abbr>-оборудование было изначально разработано для решения более общих проблем производства, нежели для решения медицинских задач; поэтому разработка технологии была направлена на улучшения, связанные с решением проблем производственников, а не докторов или хирургов. Тем не менее, недавние и будущие улучшения <abbr title="Additive Manufacturing">AM</abbr>-технологий могут открыть двери для более широкого их использования в медицинской индустрии. Ключевыми проблемами, решение которых поможет решить вышеописанные недостатки, являются:* Скорость* Стоимость* Точность* Доступные материалы* Лёгкость в использовании Анализируя данные проблемы, мы можем определить, какие технологии могут быть наиболее подходящими для медицинского использования, также как и узнать, как эти технологии будут развиваться в будущем для лучшего соответствия решаемым задачам. == VI. Дальнейшие разработки в области медицинского применения <abbr title="Additive Manufacturing">AM</abbr>-технологий ==Сложно сказать, в какой мере <abbr title="Additive Manufacturing">AM</abbr>-технологии подходят для медицинского применения. Причиной является большое количество способов, как эти машины могут быть применены в данной области. Можно предположить, что разные технологии могут найти своё применение в разных областях медицины, в связи с их специфичными преимуществами, ими предоставляемыми. Тем не менее наиболее распространённые коммерческие машины определённо хорошо подходят для промежуточное звено между хирургами, техническим персоналом и пациентами. Изготовленные модели также могут быть полезны в роли диагностических средств и могут помочь в планировании, разработки хирургических процедур, разработке хирургических инструментов и даже для разработки собственно протезов. Непосредственное изготовление имплантов и протезов, тем не менее, ограничено <abbr title="Additive Manufacturing">AM</abbr>-технологиями, использующими печать металлом, которые позволяют изготовить детали с использованием материалов, одобренных <abbr title="The US Food and Drug Administration">FDA</abbr>. Также можно использовать ограниченное количество технологий, которые могут изготовить несущие полимерные скаффолды. Для того, чтобы больше данных технологий было принято к использованию в медицинской области, в индустрии должны быть учтены ряд факторов:* Разрешения к использованию* Страхование* Обучение инженеров* Доступ к технологии == VII. Заключение ==Обобщая всё вышесказанное, аддитивное производство позволит серийное производство или индивидуальное изготовление улучшенных медицинских имплантов. Аддитивное производство позволяет адаптировать импланты для конкретного человека и данная статья показала, что оно уже используется для создания более качественных титановых костных имплантов, протезов конечностей и ортодонтических аппаратов. По мере того, как больше меж-дисциплинарных исследователей привлекаются в работу в данной области, и идёт прогресс в области био-материалов, скорее всего инструменты и техники аддитивного производства будут и дальше улучшаться в последующие года.
== Сноски ==
<ref name="16-dao">Dao, D.: Precision Engineering & Prototyping. Lecture Notes. Rapid Prototyping & Reverse Engineering, ENG3313, School of Engineering, Griffith University, Gold Coast, (2014)</ref>
<ref name="17-bose">Bose, S., Vehabzadeh S., Bandyopadhyay, A.: Bone tissue engineering using 3D printing. Mater. Today 16(12), 496–504, December 2013. http://ac.els-cdn.com/S136970211300401X/1-s2.0-S136970211300401X-main.pdf?_tid=4828c698-625b-11e4-82b2-00000aacb361&acdnat=1414910672_1265a1484f587bc95051d74847f93832. Accessed 6 Aug 2014</ref>
<ref name="18-murphy">Murphy, C.M, Haugh, M.G. O’Brien, F.J.: [https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2009.09.063 The effect of mean pore size on cell attachment, proliferation and migration in collagen glycosaminoglycan scaffolds for tissue engineering. ] Dublin, Ireland. Department of Anatomy, Royal College of Surgeons, Biomaterials. ch.31(3), pp. 461–466 (2010)</ref>
</references>
[[Категория:База знаний]]
[[Категория:3D-печать]]
[[Категория:Переводы]]
[[Категория:Статьи]]
