Ottimizzazione del processo di stampa 3D ceramico basato su estrusione per progetti ossei complessi

L’idrossiapatite è un minerale naturale che costituisce il principale costituente inorganico sia dello smalto che dell’osso dei denti. In un documento intitolato ” Ottimizzazione del processo di stampa 3D ceramico basato su estrusione per progetti ossei complessi “, un team di ricercatori descrive come hanno stampato il materiale in 3D, studiando gli effetti di diversi parametri e infine stampato in 3D un innesto osseo specifico del paziente.

I ricercatori hanno iniziato 3D la stampa di più ponteggi a forma di cubo che utilizzano inchiostri da stampa INKredible + 3D da Cellink . Dopo la stampa, i campioni sono stati essiccati, sinterizzati e raffreddati. Le dimensioni degli scaffold sono state prese utilizzando pinze e sono stati eseguiti test meccanici per testare la resistenza a compressione degli scaffold. I campioni sono stati quindi analizzati mediante microscopia elettronica a scansione e la micro TC è stata eseguita per ottenere un’immagine qualitativa non distruttiva degli scaffold e per effettuare un’analisi quantitativa 3D della porosità, della frazione di volume e del grado di anisotropia.

È stato quindi eseguito un case study.

“In breve, è stata ricostruita la tomografia computerizzata della radiografia del radio distale e sono stati ricostruiti il ​​difetto clinico e l’innesto necessari e progettato utilizzando l’imaging TC … dal gomito alle articolazioni carpometacarpali”, affermano i ricercatori. “I file DICOM sono stati importati nel software di elaborazione delle immagini mediche … per segmentare le immagini CT e generare modelli virtuali tridimensionali di entrambe le ossa dell’avambraccio. Di conseguenza, è stata eseguita un’osteotomia virtuale per produrre una correzione precisa del disallineamento angolare e rotazionale del radio. ”
Il modello 3D del difetto del paziente è stato stampato in 3D con resina trasparente utilizzando una stampante 3D Formlabs Form 2. Il CAD dell’innesto difettoso è stato ridimensionato per compensare la contrazione post-sinterizzazione, ed è stato quindi stampato in 3D usando inchiostro di idrossiapatite. Dopo la sinterizzazione, l’innesto è stato incollato all’interno del difetto e è stata eseguita una scansione TC dell’intero costrutto.

I ricercatori hanno scoperto durante il processo che la contrazione post-sinterizzazione è proporzionale alla densità di riempimento.

“Il volume medio esterno dopo la sinterizzazione è inferiore per il 50% e il 75% di riempimento se confrontato con il 100% di densità di riempimento”, spiegano. “… Questa relazione tra riduzione del volume e densità di riempimento può essere utilizzata per prevedere con precisione il livello di restringimento per le geometrie stampate in 3D utilizzando l’inchiostro HA sviluppato in questo studio. Questo ci consente quindi di utilizzare queste informazioni per scalare le geometrie durante il processo di progettazione, in modo da mantenere la precisione della stampa finale e il processo di post-sinterizzazione “.
Vari parametri, tra cui velocità di stampa, pressione di estrusione e viscosità dell’inchiostro, contribuiscono alla porosità degli scaffold prima della sinterizzazione. Dopo che il legante viene eliminato dalla matrice dello scaffold, l’aumento della temperatura fa vibrare le particelle e avvicinarsi l’una all’altra, riducendo la porosità e aumentando la stabilità.

“Comprendere la relazione tra il ritiro della geometria 3D post processo di sinterizzazione della struttura stampata 3D basata su HA fornisce una correlazione prevedibile tra i file di progetto e gli oggetti elaborati finali in modo che i difetti ossei specifici del paziente possano essere stampati dalle scansioni CT preoperatorie”, concludono i ricercatori. “Questo studio ha implicazioni per i materiali e l’ottimizzazione dei processi di progettazione 3D per applicazioni cliniche. La produzione di innesti ossei specifici per il paziente ha il potenziale per ridurre la necessità di autotrapianto e ridurre il tempo di intervento chirurgico, influenzando l’esito complessivo dell’intervento chirurgico e i relativi costi “.
Gli autori del documento includono Roopavath Uday Kiran, Sara Malferrari, Annemieke Van Haver, Frederik Verstreken, Subha Naryan Rath e Deepak N. Kalaskar.

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