新技術使研究人員能夠定制3D打印抗菌醫療設備
時間：2021-06-28 08:42 來源：中國3D打印網 作者：admin 閱讀：次
中國3D打印網6月28日訊，由英國諾丁漢大學的力學教授 Ricky Wildman 領導的工程師和健康專家團隊找到了一種設計和制造定制醫療設備的新方法，以提高性能和細菌抵抗力。研究人員結合使用多材料噴墨 3D 打印和遺傳算法，設計了量身定制的復合人造身體部件和其他具有內置功能的醫療設備，可提供更好的形狀和耐用性，同時降低細菌感染的風險。該研究開辟了一種新制造概念的可能性，以經濟高效的方式生產具有空間分布、可定制材料功能的設備。
醫療器械相關感染，例如植入假肢上的感染，很容易被細菌污染，通常會導致臨床結果不佳。這導致在治療細菌生物膜方面面臨重大挑戰，細菌生物膜具有許多有害影響。生物膜是在自產的細胞外基質中分離的細菌群落，對抗生素的耐受性提高了 1,000 倍，宿主免疫系統防御。它們是一個尚未解決的主要全球生物醫學問題，僅在美國就占所有與醫療保健相關的感染的 25.6%。據中國3D打印網了解，生物膜的治療存在著診斷困難等重大挑戰，在臨床上，生物膜對抗生素的耐受性也很高，難以根除，廣泛用于減少設備感染，但往往伴隨著局部毒性和其他副作用。有幾種方法可以減少細菌在醫療設備上的粘附，包括 3D 可打印聚合物中的抗菌藥物涂層。
受解決設備相關細菌感染和抗菌素耐藥性需求的啟發，研究人員提出并發表在《Advanced Science》雜志上的新工藝建議使用計算機輔助的多材料 3D 打印技術，該技術證明可以結合復雜的功能在一個定制的醫療保健設備中，以提高患者的健康。根據該研究的主要作者、諾丁漢大學工程學院過渡助理教授何銀峰的說法，大多數批量生產的醫療設備無法完全滿足用戶獨特而復雜的需求。同時，單一材料 3D 打印方法具有設計限制，無法生產具有多種生物或機械功能的定制設備。隨著全球人口老齡化、慢性病病例增加和全球健康危機導致對醫療設備的自然需求和不斷增長的需求，與傳統制造技術相比，3D 打印因其成本效益而成為可靠盟友。 3D 打印的醫療設備更便宜，并且可以定制，并且在部件損壞和兒童成長時更容易更換。此外，借助諾丁漢大學研究人員的新技術，醫療保健領域可以進一步改善患者的生活，減輕政府不斷增長的醫療預算帶來的經濟負擔。
遵循該方法的示意性方法來開發、3D 打印和表征定制的生物膜抑制裝置。圖片由諾丁漢大學提供。
研究作者希望創新的設計過程可以應用于 3D 打印任何需要可定制形狀和功能的醫療設備。例如，該方法可用于制造高度定制的一體式假肢或關節，以替換丟失的手指或腿，使其完美貼合患者，以提高他們的舒適度和假肢的耐用性。或者，它可以用于打印包含多種藥物的定制藥丸——稱為多藥丸——經過優化，以預先設計的治療順序釋放到體內。
在這項研究中，研究人員應用了一種計算機算法來逐個像素地設計和制造由兩種不同硬度的聚合物材料組成的 3D 打印物體，這些材料還可以防止細菌生物膜的形成。他們成功地實現了定制形狀和尺寸的零件，通過優化剛度來提供所需的靈活性和強度。通過多材料噴墨 3D 打印，通過 SUSS MicroTec 的雙頭 PiXDRO LP50 噴墨打印機，他們能夠設計每個體素中不同墨水的比例，以展示所需的性能，例如模量或透明度。他們使用可噴墨打印的生物膜抗性配方和計算設計方法來指導多材料設備的制造。作為研究的一部分，該團隊能夠 3D 打印具有人工指關節置換的傳統功能的指關節，該人工指關節置換的剛性也足以植入骨骼。此外，他們定制了它的尺寸和強度，以滿足個別患者的要求。
醫療器械相關感染，例如植入假肢上的感染，很容易被細菌污染，通常會導致臨床結果不佳。這導致在治療細菌生物膜方面面臨重大挑戰，細菌生物膜具有許多有害影響。生物膜是在自產的細胞外基質中分離的細菌群落，對抗生素的耐受性提高了 1,000 倍，宿主免疫系統防御。它們是一個尚未解決的主要全球生物醫學問題，僅在美國就占所有與醫療保健相關的感染的 25.6%。據中國3D打印網了解，生物膜的治療存在著診斷困難等重大挑戰，在臨床上，生物膜對抗生素的耐受性也很高，難以根除，廣泛用于減少設備感染，但往往伴隨著局部毒性和其他副作用。有幾種方法可以減少細菌在醫療設備上的粘附，包括 3D 可打印聚合物中的抗菌藥物涂層。
受解決設備相關細菌感染和抗菌素耐藥性需求的啟發，研究人員提出并發表在《Advanced Science》雜志上的新工藝建議使用計算機輔助的多材料 3D 打印技術，該技術證明可以結合復雜的功能在一個定制的醫療保健設備中，以提高患者的健康。根據該研究的主要作者、諾丁漢大學工程學院過渡助理教授何銀峰的說法，大多數批量生產的醫療設備無法完全滿足用戶獨特而復雜的需求。同時，單一材料 3D 打印方法具有設計限制，無法生產具有多種生物或機械功能的定制設備。隨著全球人口老齡化、慢性病病例增加和全球健康危機導致對醫療設備的自然需求和不斷增長的需求，與傳統制造技術相比，3D 打印因其成本效益而成為可靠盟友。 3D 打印的醫療設備更便宜，并且可以定制，并且在部件損壞和兒童成長時更容易更換。此外，借助諾丁漢大學研究人員的新技術，醫療保健領域可以進一步改善患者的生活，減輕政府不斷增長的醫療預算帶來的經濟負擔。
遵循該方法的示意性方法來開發、3D 打印和表征定制的生物膜抑制裝置。圖片由諾丁漢大學提供。
研究作者希望創新的設計過程可以應用于 3D 打印任何需要可定制形狀和功能的醫療設備。例如，該方法可用于制造高度定制的一體式假肢或關節，以替換丟失的手指或腿，使其完美貼合患者，以提高他們的舒適度和假肢的耐用性。或者，它可以用于打印包含多種藥物的定制藥丸——稱為多藥丸——經過優化，以預先設計的治療順序釋放到體內。
在這項研究中，研究人員應用了一種計算機算法來逐個像素地設計和制造由兩種不同硬度的聚合物材料組成的 3D 打印物體，這些材料還可以防止細菌生物膜的形成。他們成功地實現了定制形狀和尺寸的零件，通過優化剛度來提供所需的靈活性和強度。通過多材料噴墨 3D 打印，通過 SUSS MicroTec 的雙頭 PiXDRO LP50 噴墨打印機，他們能夠設計每個體素中不同墨水的比例，以展示所需的性能，例如模量或透明度。他們使用可噴墨打印的生物膜抗性配方和計算設計方法來指導多材料設備的制造。作為研究的一部分，該團隊能夠 3D 打印具有人工指關節置換的傳統功能的指關節，該人工指關節置換的剛性也足以植入骨骼。此外，他們定制了它的尺寸和強度，以滿足個別患者的要求。
采用多材料 3D 打印工藝制成的具有定制強度分布的抗菌人造手指關節假肢。圖片由諾丁漢大學提供。
隨著設計控制水平的提高，該團隊使用多種材料進行了新型 3D 打印，這些材料本質上具有抗細菌性和生物功能性，使它們能夠被植入并對抗感染（可能在手術期間和手術后發生）而無需使用添加的抗生素藥物。他們還采用了德國電子制造商 IONTOF 的新高分辨率表征技術。 3D orbiSIMS 儀器用于對打印結構的化學進行 3D 映射，并在整個零件中測試它們之間的結合。這表明——在非常小的尺度上——兩種材料在它們的界面處混合，這是良好結合的標志，這意味著這些設備更不容易破裂。
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