诺丁汉大学:定制具有内置功能的人造身体部件和其他医疗设备

使用新的 3D 打印工艺,诺丁汉大学的研究人员发现了如何定制具有内置功能的人造身体部件和其他医疗设备,以提供更好的形状和耐用性,同时降低细菌感染的风险。


研究负责人、增材制造中心的何银峰博士说:“大多数批量生产的医疗设备无法完全满足用户独特而复杂的需求。同样,单材料 3D 打印方法具有设计局限性,无法生产具有多种生物或机械功能的定制设备。但我们第一次使用计算机辅助的多材料 3D 打印技术证明,可以在一个定制的医疗保健设备中结合复杂的功能来增强患者的健康。”


希望创新的设计过程可以应用于 3D 打印任何需要可定制形状和功能的医疗设备。例如,该方法可用于制造高度定制的一体式假肢或关节,以替换丢失的手指或腿,使其完美贴合患者,以提高他们的舒适度和假肢的耐用性;或者打印包含多种药物的定制药丸 - 称为多药丸 - 优化后以预先设计的治疗顺序释放到体内。


同时,全球人口老龄化加剧,未来对医疗器械的需求更高。使用这种技术可以改善老年人的健康和福祉,减轻政府的财政负担。


这个怎么运作


在这项研究中,研究人员应用了一种计算机算法来逐个像素地设计和制造由两种不同硬度的聚合物材料组成的 3D 打印物体,这些材料还可以防止细菌生物膜的形成。通过以这种方式优化刚度,他们成功地获得了提供所需灵活性和强度的定制形状和尺寸的零件。


例如,当前的人工手指关节置换使用硅胶和金属部件,为佩戴者提供标准化的灵巧水平,同时仍然足够坚固以植入骨骼。然而,作为该研究的演示者,该团队能够在一个设备中 3D 打印满足这些双重要求的指关节,同时还能够定制其尺寸和强度以满足个别患者的要求。


令人兴奋的是,随着设计控制水平的提高,该团队能够使用多种材料进行新型 3D 打印,这些材料本质上具有抗细菌性和生物功能性,使它们能够被植入并对抗感染(可能发生的感染)。手术期间和手术后,而无需使用添加的抗生素药物。


该团队还使用了一种新的高分辨率表征技术(3D 轨道 SIMS)来对打印结构的化学进行 3D 映射,并在整个部件中测试它们之间的结合。这表明——在非常小的尺度上——这两种材料在它们的界面上混合在一起;良好粘合的标志,这意味着更好的设备不太可能损坏。


该研究由增材制造中心 (CfAM) 进行,并由工程和物理科学研究委员会资助。完整的研究结果发表在 Advanced Science 的一篇论文中,题为:“利用生成式设计用于细菌生物膜抗性复合装置的 3D 打印”。


在将该技术商业化之前,研究人员计划通过在具有额外功能(例如控制免疫反应和促进干细胞附着)的更先进材料上对其进行测试来扩大其潜在用途。