Аддитивное производство металлами и сплавами «наводит порядок» во многих отраслях, выпячивая наружу творческие и индивидуализированные порывы человека угодить будущему и требовательному настоящему. Задействование 3D-печати в производстве ортопедических имплантатов – убедительное подтверждение этому. Однако настоящим профи известно, что свобода проектирования изделий и их печати имеет свою цену. Послойный синтез и технология <#link#L-PBF#URL%3Ahttps%3A%2F%2Fam.tech%2Fproduct%2Fslm-3d-printeri%2F#>, в частности, обязывает совершенствовать поверхности постобработкой, особенно для высоких требований медицины и ношения имплантатов внутри тела.
Рассмотрим основные методы постобработки, используемые для оптимизации качества поверхности, биосовместимости и механических свойств металлических имплантатов, напечатанных на 3D-принтере. Понимание этих методов имеет решающее значение для принятия обоснованных решений на протяжении всего технологического процесса и обеспечения производства высококачественных и надежных имплантатов.
Для начала рассмотрим ограничения, которые часто являются атрибутом аддитивного производства металлами:
- Поверхности с высокой шероховатостью и ступенчатостью: напечатанные изделия часто имеют неудовлетворительную шероховатость для требовательных применений в эндопротезировании (более Ra7), что может препятствовать биосовместимости, вызывать воспаления, иметь плохую интеграцию с окружающими тканями и провоцировать износ мягких тканей.
- Микроструктурные дефекты:
- Пористость: пузырьки газа, скопившиеся внутри материала детали, могут ослабить имплантат и стать местом возникновения трещин.
- Несплавленные слои: неполное сплавление слоев может нарушить структурную целостность имплантата.
- Остаточные напряжения: быстрые циклы нагрева и охлаждения могут создавать внутренние напряжения, приводящие к деформации или преждевременному выходу имплантата из строя.
Постобработка призвана смягчить эти ограничения и способна обеспечить соответствие конечного имплантата требуемым стандартам:
- Биосовместимость: способствует интеграции с окружающими тканями и минимизирует побочные реакции.
- Механические характеристики: обеспечивают достаточную прочность, усталостную стойкость и износостойкость в условиях физиологических нагрузок.
- Коррозионная стойкость: предотвращает попадание в организм потенциально вредных ионов металлов.
Рис.1. Требования к шероховатости для интеграции различных имплантатов
Методы постобработки
Методы постобработки для напечатанных металлических имплантатов можно разделить на две основные группы: механические и химические. Выбор того или иного зависит от таких факторов, как материал имплантата, предполагаемая функция, местоположение в организме и требуемые характеристики поверхности.
-
Виды и методы механической постобработки
Механические методы обычно подразумевают удаление материала или модификацию поверхности посредством физических процессов.
- Механическая обработка: механическая лезвийная обработка охватывает ряд процессов, включая фрезерование, сверление, точение, и позволяет:
- Улучшить качество поверхности: удаляет дефекты, в том числе частично расплавленные частицы, и создает более гладкую поверхность. Исследования показывают, что механическая обработка может уменьшить шероховатость поверхности до 88% в напечатанных деталях.
- Создавать элементы: отверстия для винтов, пазы или внутренние каналы, которые нелегко получить в процессе печати.
- Улучшить свойства микроструктуры поверхности: это обеспечивает улучшение контроля пористости, износостойкости, коррозионной стойкости и микротвердости. Обработка может создать на поверхности упрочненный деформацией слой, что повышает долговечность имплантата.
- Шлифовка, притирка и полировка: эти абразивные полировочные методы направлены на достижение очень гладкой поверхности. Они часто используются последовательно, при этом шлифовка применяется для чистовой постобработки, за которой следует притирка и, наконец, полировка для достижения желаемого качества поверхности.
- Пескоструйная обработка: этот метод подразумевает воздействие абразивных частиц по поверхности имплантата, как правило, в качестве предварительного шага для удаления излишков порошка, поддержек или частично расплавленных частиц, оставшихся после процесса печати.
Рис. 2. Структура костной ткани бедренной кости
-
Методы химической постобработки
Химические методы используют химические реакции для изменения свойств поверхности или удаления материала.
- Покрытие: нанесение покрытий, таких как керамика или полимеры, может повысить биосовместимость имплантата, его коррозионную стойкость и износостойкость. Выбор материала покрытия и метода нанесения зависит от конкретных требований к имплантату.
- Электрополировка: этот электрохимический процесс удаляет тонкий слой материала с поверхности, уменьшая шероховатость, улучшая качество поверхности и повышая коррозионную стойкость. Электрополировка особенно полезна для имплантатов, используемых в агрессивных средах, таких как организм человека.
- Травление: контролируемое химическое травление с использованием специальных растворов позволяет создавать желаемые текстуры или особенности поверхности. Однако выбор протравливающих агентов требует тщательного подхода для обеспечения биосовместимости, поскольку остаточные химические вещества могут быть токсичны для клеток и тканей.
Табл. 1. Сравнение методов постобработки
| Метод | Вид | Плюсы | Минусы |
| Лезвийная механообработка | Механический | Универсальный, эффективный для удаления дефектов поверхности и создания элементов, улучшает качество поверхности, улучшает свойства на уровне поверхности, экономически выгодный. | Не может устранить все микродефекты, требует специального оборудования и опыта. |
| Шлифовка/притирка/полировка | Механический | Очень эффективно для достижения гладкой и полированной поверхности. | Ограничивается сглаживанием и может не устранить другие дефекты, затратно по времени. |
| Пескоструйная обработка | Механический | Эффективен для удаления поддержек и излишков порошка, может улучшить шероховатость поверхности. | Ограниченный контроль качества обработки поверхности, может не подходить для деликатных деталей. |
| Покрытие | Химический | Улучшает биосовместимость, коррозионную стойкость и износостойкость. | Важнейшими факторами являются долговечность и долгосрочная стабильность покрытия. |
| Электрополировка | Химический | Улучшает качество поверхности и коррозионную стойкость, может использоваться для доступа к внутренним каналам пористых имплантатов. | Ограниченный контроль формы, может не подходить для всех материалов. |
| Травление | Химический | Высокий контроль над получением текстур заданного качества и рисунка. | Потенциальная токсичность, при наличии остаточных химических веществ требует тщательного выбора протравливающих агентов для обеспечения биосовместимости. |
Механообработка: ключевой метод постобработки напечатанных имплантатов
Механическая обработка является наиболее выгодным методом постобработки для металлических имплантатов, изготовленных с помощью 3D-печати, в частности, для эндопротезов суставов, для которых требуется превосходное качество поверхности, точные размеры и улучшенные механические свойства.
Преимущества:
- Эффективное удаление дефектов: механическая обработка позволяет устранить несколько типов поверхностных дефектов, таких как частично расплавленные частицы, несплавленные слои и крупные раковины. Все это возможно за один установ, что делает ее более желательной по сравнению с многоэтапными методами.
- Точность и аккуратность: механическая обработка позволяет создавать элементы и поверхности с высокой точностью, что имеет решающее значение для обеспечения правильной посадки и функционирования имплантатов.
- Создание функциональных микроэлементов: с помощью механической обработки можно успешно создавать достаточно малые и деликатные элементы, которые улучшают работу имплантата.
Исследования, сравнивающие механическую обработку с другими методами постобработки, включая лазерные технологии и нанесение покрытий, продемонстрировали, что механическая обработка обеспечивает оптимальный баланс эффективности и стоимости.
Будущие направления постобработки
Несмотря на значительные достижения в области методов постобработки, исследования по-прежнему сосредоточены на следующих вопросах:
- Разработка более эффективных и экономичных методов: сюда входит изучение одноэтапных методов, минимизирующих время обработки и затрат.
- Изучение взаимосвязей между поверхностями: необходимы дальнейшие исследования для оптимизации свойств поверхности, таких как шероховатость, текстура и химия, исследования в области взаимодействия клеток с имплантируемым материалом, адсорбции белков и, в конечном счете, их влияния на долговечность имплантата.
- Минимизация дефектов во время печати: усовершенствования в управлении процессом производства, например, в регулировании мощности лазера и стратегии сканирования. Это имеет решающее значение для создания деталей с меньшим количеством дефектов и более гладкими поверхностями непосредственно в процессе печати, тем самым снижая необходимость в постобработке.
Выводы
Постобработка является неотъемлемой составляющей производства печатаемых металлических имплантатов. Глубокое понимание доступных методов, их преимуществ и ограничений необходимо для принятия обоснованных решений для производства ответственной продукции. Несмотря на то, что в настоящее время механообработке присущи универсальность и доступность, постоянные исследования и разработки новых методов постобработки будут и дальше способствовать развитию 3D-печати для ортопедических имплантатов. Решая текущие проблемы и сосредоточившись на будущих направлениях, имплантология и аддитивное производство в тандеме смогут раскрыть весь потенциал 3D-печати для изготовления персонализированных, долговечных и эффективных имплантатов, возвращающих пациентов к полноценной и активной жизни.
Источники:
<#link#https://doi.org/10.1007/s00170-024-14218-y#URL%3Ahttps%3A%2F%2Fdoi.org%2F10.1007%2Fs00170-024-14218-y#>
<#link#https://doi.org/10.7717/peerj.1562#URL%3Ahttps%3A%2F%2Fdoi.org%2F10.7717%2Fpeerj.1562#>
