Руководитель исследования д-р Иньфэн Хе из Центра аддитивного производства сказал: «Большинство медицинских устройств массового производства не в полной мере удовлетворяют уникальные и сложные потребности своих пользователей. Точно так же методы 3D-печати из одного материала имеют конструктивные ограничения, которые не позволяют создать индивидуальное устройство с множеством биологических или механических функций.
«Но впервые, используя компьютерную технику 3D-печати из нескольких материалов, мы демонстрируем, что можно комбинировать сложные функции в одном индивидуальном медицинском устройстве для улучшения благополучия пациентов."
Есть надежда, что инновационный процесс проектирования может быть применен для 3D-печати любого медицинского устройства, которое требует настраиваемых форм и функций. Например, метод может быть адаптирован для создания цельного протеза конечности или сустава на заказ для замены потерянного пальца или ноги, который может идеально подходить пациенту для повышения его комфорта и долговечности протеза; или напечатать индивидуальные таблетки, содержащие несколько лекарств, известные как полипиллы, оптимизированные для высвобождения в организм в заранее разработанной терапевтической последовательности.
Между тем, в мире увеличивается количество стареющего населения, что в будущем приведет к увеличению спроса на медицинские устройства.
Использование этой техники может улучшить здоровье и благополучие пожилых людей и облегчить финансовое бремя для правительства.
Как это работает
Для этого исследования исследователи применили компьютерный алгоритм для проектирования и производства – пиксель за пикселем – 3D-печатных объектов, состоящих из двух полимерных материалов разной жесткости, которые также предотвращают образование бактериальной биопленки.
Оптимизировав таким образом жесткость, они успешно получили детали нестандартной формы и размеров, которые обеспечивают необходимую гибкость и прочность.
В современных искусственных суставах пальцев, например, используются как силиконовые, так и металлические детали, которые предлагают пользователю стандартизированный уровень подвижности, но при этом достаточно жесткие, чтобы имплантироваться в кость. Однако в качестве демонстратора исследования команда смогла напечатать на 3D-принтере сустав пальца, предлагая эти двойные требования в одном устройстве, а также возможность настроить его размер и прочность в соответствии с индивидуальными требованиями пациента.
Интересно, что с дополнительным уровнем контроля над дизайном, команда смогла реализовать свой новый стиль 3D-печати с использованием нескольких материалов, которые по своей природе устойчивы к бактериям и являются био-функциональными, что позволяет их имплантировать и бороться с инфекциями (которые могут возникнуть. во время и после операции) без дополнительных антибиотиков.
Команда также использовала новую технику характеризации с высоким разрешением (3D orbitSIMS) для 3D-карты химического состава печатных структур и проверки связи между ними по всей детали.
Это выявило, что – в очень малых масштабах – два материала смешивались на их границах раздела; признак хорошего соединения, что означает, что лучшее устройство с меньшей вероятностью сломается.
Исследование было проведено Центром аддитивного производства (CfAM) и профинансировано Исследовательским советом по инженерным и физическим наукам. Полные результаты опубликованы в Advanced Science в статье под названием «Использование генеративного дизайна для 3D-печати композитных устройств, устойчивых к бактериальной биопленке».
Перед коммерциализацией метода исследователи планируют расширить его потенциальное использование, протестировав его на более совершенных материалах с дополнительными функциями, такими как контроль иммунных ответов и содействие прикреплению стволовых клеток.