通過SLS技術3D打印可降解顱骨植入物，德國Fraunhofer驗證其可行
在進行顱頜面外科修復手術時，每位患者因骨缺損程度的不同，所需的植入物也是獨一無二的。標準植入物需要在手術期間由醫生手動調整以適應個體骨缺損，但個性化植入物（ patient-specific implants，PSIs）可以免去手動調整的過程，實現完美解剖學配合。個性化植入物的應用將縮短手術時間，使外科醫生能夠專注于手術本身，并能夠實現優異的美學效果，這在顱頜面外科手術中是非常重要的。
3D打印技術為制造顱頜面個性化植入物提供了技術解決方案，除了實現解剖學配合之外，增材制造植入物在設計時可以配備互連的孔結構，促進組織向內生長以及骨再生。
目前醫療中應用的鈦金屬、PEEK 3D打印顱頜面個性化植入物為不可降解的植入物，雖然它們已為骨缺損修復提供了很好的解決方案，但是理論上通過可被吸收、降解的材料制造的個性化植入物將進一步改善治療效果。因為這種可生物降解的植入物在數月至數年的時間內被人體吸收，并促進完整的組織再生，避免翻修手術以及骨移植，進一步提升患者的生活質量。
德國 Fraunhofer ILT 快速制造部門開發了一種新的可降解粉末復合材料，Fraunhofer已驗證了用該材料以及SLS 3D打印技術制造可降解顱骨植入物的可行性。本期，3D科學谷就與谷友一起通過Fraunhofer ILT 研究員Christoph Gayer 所在團隊開展的相關研究，進一步了解這一技術。
控制復雜性
基于可生物降解聚合物材料制造的植入物 ，例如聚乳酸，聚乙醇酸或聚己內酯 已經被應用了數十年。通過注塑技術可以將這類材料制造為簡單的幾何形狀，但難以實現個性化植入物的制造。
Fraunhofer 正在進行這類可降解聚合物的增材制造技術。Fraunhofer 認為，在所有3D打印技術（例如，熔融沉積成型、粘結劑噴射或立體光固化）中，選區激光燒結工藝（SLS）是聚合物個性化植入物制造中最有前景的技術。與需要特殊光聚合物樹脂的立體光固化技術不同，激光燒結可以加工標準材料。與熔融沉積成型和粘結劑噴射技術相比，選區激光燒結通常可以實現更高的精度和強度。
通過選區激光燒結制造個性化植入物，需要三個必要的先決條件：正確的粉末材料，正確的設備和正確的工藝。選區激光燒結需要的粉末材料優選粒徑小于100μm的材料。生產聚合物粉末材料通常比較復雜，這是由于大多數聚合物具有高抗沖擊性和或高延展性，機械研磨通常都會失敗，<100μm的粉末材料尚存在產率不足或顆粒具有減少粉末流動性的尖銳邊緣的問題。
Fraunhofer 研究團隊使用的一種粉末生產方法是溶劑蒸發。然而，可生物降解的聚合物，如聚丙交酯（PLA），僅可溶于氯仿或二氯甲烷等有毒有機溶劑。這些有毒溶劑是嚴重危害健康的，這對于該材料的醫學應用以及粉末生產的升級造成不良影響。為了避免這些問題，Fraunhofer 采用基于良好生產規范標準的無溶劑方法處理Schaefer Kalk生產的粉末。使用該方法可以生產多種不同的聚合物/填料組合，包括由PLA和沉淀碳酸鈣（PCC）制成的新復合材料。
可生物降解的聚丙交酯/碳酸鈣復合材料粉末，專門用于選區激光燒結。圖片來源：Schaefer Kalk GmbH＆Co。
專門設計的PCC顆粒是骨形成所需的Ca2 +離子的來源。此外，PCC顆粒能夠通過緩沖在植入物再吸收期間可能出現的聚丙交酯酸性降解產物，來改善復合材料的降解行為。這種方式可以避免由酸性降解產物引起炎癥反應的可能。 PCC顆粒還提供合適的表面結構，改善與聚丙交酯基質的粘附性。
還有一點很重要，那就是要保證幾乎所有粉末顆粒都小于100μm，從而可以實現打印中具有約100μm厚度的薄粉末層。薄粉末層與較厚的層相比，可以更快和更均勻地實現粒子融合。此外，較小的層厚度可實現更高的細節分辨率。顆粒形態也特別重要。Fraunhofer 新開發的PLA基碳酸鈣復合顆粒具有圓形形狀，具有良好的流動性，有利于實現均勻粉末沉積。
Fraunhofer通過定制的選區激光燒結設備和聚丙交酯/碳酸鈣復合粉末材料制備的可生物降解個性化顱骨植入物。 圖片來源：KLS Martin Group。
另一個關鍵的材料特性是熔體粘度。與金屬熔體不同，金屬熔體可以像水一樣流動，聚合物熔體則非常粘稠，通常它們需要很長時間才能實現聚合物顆粒的完全熔合。而合適的聚合物鏈長度使熔體粘度足夠小，以實現快速熔合。
雖然波長約1μm的近紅外光纖激光能夠加工金屬，但聚合物在該波長下幾乎沒有吸收。3D科學谷了解到，Fraunhofer 研究人員使用具有10.6-μm波長的中紅外CO2激光器用于聚合物加工。在該波長下，聚合物的分子鍵被激發，導致分子振動，從而發生顯著的吸收。
Fraunhofer 在這項研究中使用了定制的EOS Formiga P 110 激光燒結3D打印設備，包括具有30 W光功率的CO2激光器，該設備能夠將激光束聚焦至約450μm的光斑直徑，給出19kW / cm 2的典型強度。
由于可生物降解的聚合物在加工過程中易于熱降解。因此，Fraunhofer研究人員仔細調整了工藝參數（例如，激光功率和掃描速度）以避免熱降解。同時，能量輸入必須足夠高，以實現完全熔化，實現具有高機械強度的全密度部件。
Fraunhofer的實驗發現，應將激光功率調整到優于10％的精度，以獲得最佳強度（彎曲強度約為80 MPa）和最小降解（固有粘度降低<10％）。在此條件下制造出來的3D打印樣件，顯示出與成骨細胞樣MG-63細胞良好的細胞相容性。
Fraunhofer研究團隊總結出，成功3D打印這種可降解復合材料的關鍵是控制好粉末材料，設備和工藝之間的復雜相互作用。
在設計顱骨植入物時，研究團隊使用Autodesk Within 軟件設計出相互連接的孔隙結構。該軟件可以沿著種植體表面輪廓實現孔結構的整合，從而實現平滑的整體表面，而不會產生偏置的支柱，支柱直徑約為1毫米。
植入物3D打印過程約需兩個小時，植入物可完美貼合顱骨缺損。
Fraunhofer 這一研究表明了通過選區激光燒結3D打印技術制造可生物降解顱骨個性化植入物的可行性。3D科學了解到，Fraunhofer 下一步將對該植入物體外和體內測試。l Christoph Gayer是Fraunhofer ILT快速制造部門的研究員，他所在團隊的研究范圍涵蓋工藝和應用開發，以及粉末床激光熔融設備和材料開發。
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