供稿人：仝帥康 高琳 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2021-12-20
半月板是膝關(guān)節(jié)內(nèi)的一對纖維化軟骨墊，起承重墊、潤滑裝置和膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定器的作用。半月板撕裂的治療方案包括直接修復(fù)、支架或植入物替換、半月板部分或全部切除(移除受損的半月板組織)。大多數(shù)植入物是通過間接成型技術(shù)生產(chǎn)的，即首先將模具3D打印或機(jī)械加工，然后將硅膠倒入模具中并進(jìn)行固化。這種間接成型技術(shù)既耗時(shí)又昂貴，在定制不同幾何形狀的植入物或空心硅膠部件時(shí)也帶來了技術(shù)挑戰(zhàn)。 新加坡南洋理工大學(xué)引進(jìn)了一種新型定制的熱固化擠出式硅膠3D打印機(jī)，使用生物相容性和植入性硅膠樹脂，能夠直接3D打印硅膠半月板植入物。首先，從硅樹脂的流變學(xué)表征中獲得最佳固化溫度和固化時(shí)間。接下來是噴嘴直徑、噴嘴溫度和床層溫度的參數(shù)優(yōu)化，使用一系列參數(shù)值，打印出標(biāo)準(zhǔn)的ASTM圓柱形塊、T型骨和最終半月板植入物。利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模擬研究了硅膠樹脂通過加熱噴嘴的傳熱，利用Solidworks研究了硅膠半月板植入體的熱梯度分布，結(jié)果與實(shí)時(shí)3D打印非常相似。
圖1 基于熱固化擠壓的增材制造實(shí)驗(yàn)裝置 圖例:(1)運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)，(2)擠出機(jī)，(3)靜態(tài)攪拌機(jī)，(4)打印頭，(5)加熱元件
一種新型的硅膠3D打印機(jī)成功地用于直接3D打印硅膠半月板植入物，該植入物具有傳統(tǒng)熱成型半月板的力學(xué)性能。新型的3D打印工藝為患者快速3D打印各種可定制的醫(yī)用硅膠植入物開辟了機(jī)遇，填補(bǔ)了目前增材制造行業(yè)的空白，因?yàn)槟壳暗脑霾闹圃旒夹g(shù)并未涉及醫(yī)用硅膠植入物的直接3D打印。
圖2 3D打印硅膠半月板在不同加熱溫度(T1=噴嘴溫度，T2=平臺(tái)溫度)和噴嘴內(nèi)徑下的俯視圖圖像