Ученые Сколтеха представили новый метод проектирования 3D-печатных костных имплантатов

Ученые из Центра по проектированию, производственным технологиям и материалам (CDMM) Сколковского института науки и технологий (Сколтех) разработали метод проектирования и изготовления керамических костных имплантатов сложной формы с контролируемой структурой пористости, значительно повышающей эффективность сращивания биологических тканей.

Керамические материалы устойчивы к химическому и механическому воздействию и демонстрируют высокую износостойкость, что делает их подходящими для производства костных имплантатов. Современные технологии 3D-печати позволяют создавать керамические костные имплантаты по индивидуальному дизайну. Для успешного разрастания клеток в зоне костного имплантата используются различные пористые структуры. Для того чтобы процесс сращивания тканей происходил более эффективно, необходимо, чтобы поры имели размер порядка несколько сотен микрометров, при этом размер имплантатов может превышать размер пор на несколько порядков. При практическом применении все изготавливаемые имплантаты должны быть кастомизированы, то есть проектироваться исходя из особенностей пациента. Это приводит к очевидной проблеме быстрого проектирования имплантатов с заданной структурой пористости. Традиционные методы геометрического моделирования, основанные на поверхностном представлении модели, здесь неприменимы из-за сложной внутренней структуры объектов.

Ученые из Сколтеха под руководством профессора Александр Сафонова использовали для моделирования имплантатов метод, основанный на функциональном представлении (Function Representation, FRep) и разработанный профессором Сколтеха Александром Пасько.

«Моделирование микроструктур с использованием FRep имеет ряд преимуществ. Во-первых, в процессе FRep-моделирования всегда гарантируется корректность полученной модели в отличие от традиционного полигонального представления в системах автоматического проектирования, в которых высока вероятность получить трещины или нестыковки граней модели. Во-вторых, это полная параметризация получаемых микроструктур, что дает высокую гибкость в быстрой генерации вариабельных 3D-моделей. В-третьих, это наличие различных инструментов для моделирования различных сеточных структур», — рассказывает научный сотрудник Сколтеха Евгений Мальцев.

В новой работе спроектированы цилиндрические имплантаты с использованием метода FRep. При моделировании ячеистой микроструктуры за основу взята кубическая ячейка алмаза. Далее, на лазерном стереолитографическом 3D-принтере Ceramaker 900 в лаборатории аддитивного производства CDMM изготовлены керамические образцы имплантатов и проведены механические испытания изготовленных образцов при осевом сжатии. За счет изменения пористой структуры метод позволяет получать имплантаты разной плотности индивидуально под каждого пациента.

Результаты исследования опубликованы в журнале Applied Sciences. 

Пресс-релиз

А у вас есть интересные новости? Поделитесь с нами своими разработками, и мы расскажем о них всему миру! Ждем ваши идеи по адресу news@3Dtoday.ru