STRUKTURA KOMPOZYTÓW BIORESORBOWALNYCH WYTWORZONYCH Z ZASTOSOWANIEM GENERATYWNEJ METODY LASEROWEJ

Transkrypt

1 MODELOWANIE INŻYNIERSKIE nr 45, t. 14, rok 2012 ISSN X STRUKTURA KOMPOZYTÓW BIORESORBOWALNYCH WYTWORZONYCH Z ZASTOSOWANIEM GENERATYWNEJ METODY LASEROWEJ Anna Woźna 1a 1 Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji, Politechnika Wrocławska, a anna.wozna@pwr.wroc.pl Streszczenie W pracy omówiono strukturę kompozytów bioresorbowalnych wytworzonych z wykorzystaniem technologii laserowych. Metoda polega na selektywnym topieniu mieszaniny sferoidalnych proszków polimeru i ceramiki, warstwa po warstwie, co w efekcie pozwala uzyskać lity element o zamodelowanym kształcie, gotowy do wszczepienia pacjentowi. BIORESORBABLE COMPOSITES MADE USING SELECTIVE LASER MELTING Summary Process of producing implants with laser technology allows to individually adjust them to the patient as well as to the level of damage to his bones. One of the important features of the process, which can be manipulated, it is possible to precisely determine the structure of the implant, having the same effect on its porosity. In the case of bioresorbable implants it is a key issue in the context of determining the time the implant is absorbed by the body. Giving properly function to the implant and meet all of its functions, its porosity must be modeled in a way that the subsequent penetration of the blood and cells in the channels. Previous types of implants could be penetrated by the patient's cells to a limited extent. The new technique can generate channels with a diameter of 0.5 to 1 mm with an accuracy of 100 microns. This method allows the production of parts with complex shapes (eg based on CT images) in one operation. A limited number of operations, the material used and the specifics of the process gives a chance to respond quickly to the needs of individual patients, and this influences progress in the development of implantology. 1. WSTĘP Proces wytwarzania implantów za pomocą technologii laserowych pozwala indywidualnie dostosowywać je do pacjenta, a także do poziomu uszkodzenia jego kości. Jedną z istotnych cech procesu, którą można zmieniać, jest możliwość precyzyjnego określenia struktury implantu, mając tym samym wpływ m.in. na jego porowatość. W przypadku implantów bioresorbowalnych jest to kwestia istotna w kontekście określenia czasu, w jakim implant zostanie zresorbowany w organizmie. Aby implant funkcjonował właściwie i spełniał wszystkie swoje funkcje, jego porowatość musi być zamodelowana w sposób umożliwiający późniejsze wnikanie krwi i komórek w jego kanały. Poprzednie rodzaje implantów mogły być penetrowane przez komórki pacjenta w ograniczonym zakresie. Nowa technika pozwala generować kanały o średnicy od 0,5 do 1 mm z dokładnością do 100 μm (rys. 2). 134

2 Anna Woźna 2. METODA LASEROWA Metoda laserowa polega na selektywnym (miejscowym) przetapianiu proszku materiału z indywidualnie dobranymi parametrami procesu, skoncentrowaną wiązką lasera, warstwa po warstwie, aż do otrzymania pełnej struktury geometrycznej modelu. Metoda umożliwia przetopienie materiału sięgające 99% [6]. Temperatura topnienia polilaktydu (PLA) to niespełna 200 C, dzięki czemu materiał jest doskonały do przeróbki laserem CO2. Długość fali lasera CO2 wynosi 10,6 μm, w związku z czym lasery te dostosowane są głównie do topienia proszków polimerowych. Decyduje o tym wysoki poziom absorpcji w zakresie podczerwieni (dla polimerów wynosi on w przybliżeniu 0,75 [15]) rys. 1. Inne resorbowalne materiały, jak np. bioceramiki, mogą być przetwarzane laserem jedynie poprzez osadzenie ich cząstek w matrycy polimerowej lub szklanej (bioaktywne szkło). Materiał stosowany do wytwarzania implantów ma bardzo duże znaczenie. Hydroksyapatyt (HAp) jest odpowiednim materiałem do produkcji biodegradowalnych implantów, ponieważ jako składnik naturalnie występujący w ludzkiej kości pobudza organizm do odbudowy ubytków. Jednak ze względu na budowę chemiczną HAp i jego pochodne nie mogą być bezpośrednio przetwarzane poprzez przetapianie, dlatego też tylko w ograniczonym zakresie nadają się do przetwarzania za pomocą lasera. Głównie z tego powodu zaczęto poszukiwać materiału mogącego być dodatkiem, który wymieszany z proszkiem HAp generuje doskonałe właściwości kształtowania i topliwości. Podczas obróbki laserem materiał w postaci proszku jest całkowicie przetapiany, więc tylko materiały, które osiągają stan liquidus, mogą być rozpatrywane. Takie materiały to np. materiały na bazie polimeru lub bioaktywne szkła. Grupą materiałów, która spełnia wszystkie te wymagania, są degradowalne polimery. Rys. 2. Element wytworzony za pomocą lasera z polimeru resorbowalnego [4] Rys. 1. Wykres prezentujący zmiany absorpcji w zależności od długości fali (dla metali i stopów i materiałów organicznych) [6] 3. ANALIZA MATERIAŁU I METOD PRZETWARZANIA Kompozyt o osnowie polimerowej ze wzmocnieniem HAp sprawia, że materiał jest łatwiejszy w kształtowaniu i w pełni resorbowalny. Łączenie dwóch materiałów ma również inne zalety natury medycznej. Podczas resorpcji polimerów wytwarza się specyficzne kwaśne środowisko w okolicy implantu (przyczyną jest laktydowa struktura polimeru resorbowalnego), natomiast kwaśne środowisko w tkankach ludzkich powoduje reakcje zapalne. Takie otoczenie może zostać zmniejszone poprzez wykorzystanie kompozytów z materiałów alkalicznych takich jak ceramiki fosforanu wapnia. Przy wykorzystaniu kompozytu polimeru i ceramiki również własności mechaniczne materiału zwiększają się w stosunku do własności czystego polimeru. 135

3 STRUKTURA KOMPOZYTÓW BIORESORBOWALNYCH WYTWORZONYCH Rys. 4. Wytrzymałość na rozciąganie w zależności od modułu sprężystości Younga dla materiałów wykorzystywanych do projektowania kompozytów o zastosowaniach biomedycznych [11] Rys. 3. Mieszanina proszków polimer/ceramika fosforanu wapnia. Mikroskop konfokalny Hydroksyapatyt, inaczej hydroksyfosforan wapnia, jest to sól kompleksowa wapniowo i fosforowo. W organizmie stanowi mineralne rusztowanie dla tkanki łącznej i jest odpowiedzialna za mechaniczną wytrzymałość kości. Bioceramika hydroksyapatytowa jest wysoce biozgodna zarówno jeśli chodzi o tkanki miękkie, jak i twarde. Ponadto, w przeciwieństwie do wielu materiałów, nie powoduje działania rakotwórczego, cytotoksycznego, drażniącego ani alergizującego. Bardzo dobrze adaptuje się w żywym organizmie i nie powoduje zapaleń. Przez bardzo długi okres wykazuje stabilność fizyczną i chemiczną. Poza tym bardzo dobrze znosi sterylizację. Szybkość resorpcji HAp jest uzależniona od stosunku molowego Ca/P w wyjściowym proszku zastosowanym do wytworzenia implantu, a także od składu fazowego tworzywa po przetapianiu. Resorpcji ceramiki sprzyja obecność fazy szklistej na granicach międzyziarnowych oraz niewielkie ilości domieszek Mg 2+, F -, Co3 2-. Czynnikiem, który również wpływa na szybkość resorpcji, jest niski stopień krystaliczności, co jest równoznaczne z większym udziałem fazy amorficznej. Przewagą biomateriałów polimerowych nad metalicznymi lub ceramicznymi jest ich degradowalność w środowisku biologicznym, łatwość wytwarzania produktów o zróżnicowanym i skomplikowanym kształcie, niski koszt a także dostępność gamy materiałów o szerokim zakresie właściwości mechanicznych i fizycznych. Istotny jest także fakt, że sztywność polimerów jest zbliżona do sztywności kości - w przeciwieństwie do materiałów metalicznych i ceramicznych. Wytrzymałość na rozciąganie i moduł sprężystości polimerów czyni je także materiałami adekwatnymi do zastosowania jako implanty kości (rys. 4). Zaletami ceramiki w zastosowaniach medycznych są: jej wysoka porowatość, gęstość taka sama jak dla kości, odporność na ściskanie, a także odporność na korozję. Kluczową wadą natomiast jest zbyt duża kruchość tego typu materiałów, dlatego też ich zastosowanie w implantologii rozszerza się wraz z możliwością połączenia ceramiki z innymi materiałami, tj. metalami lub polimerami. 4. STRUKTURA UZYSKANEGO MATERIAŁU Podjęto szereg prób wytworzenia zaprojektowanego materiału za pomocą skonstruowanego urządzenia bazującego na technologii SLM (Selective Laser Melting). W wyniku przeprowadzonych prób uzyskano wielowarstwowe, sześcienne próbki o wymiarze podstawy 10x10 mm (rys. 5 i 6). Wysokość każdej z wytworzonych próbek zależna była od ilości wytworzonych warstw, natomiast grubość pojedynczej warstwy zde- 136

4 Anna Woźna terminowana była wielkością cząstek materiału wejściowego (rys. 3). uzupełnień kostnych do konkretnego pacjenta, nie tylko pod kątem geometrii, ale także własności fizykochemicznych jego kości. Rys. 5. Widok na jedną z bocznych powierzchni wytworzonej próbki Rys. 7. Mikrostruktura kompozytu po przeprowadzonym procesie przetapiania laserem. SEM Rys. 8. Schemat łączenia materiałów o różnej temperaturze topnienia [10] 5. PODSUMOWANIE Rys. 6. Widok na górną powierzchnię wytworzonej próbki Wytworzony materiał charakteryzuje się homogenicznym rozkładem obu składników w kompozycie, sferyczne cząstki ceramiki zatopione są w polimerowej matrycy, co zaprezentowane jest na rys. 7, schemat tego zjawiska pokazuje natomiast rys. 8. Warstwowe wytwarzanie w zdecydowanym stopniu ułatwia zapewnienie jednolitego rozkładu składników kompozytu, co ma decydujący wpływ na własności wytworzonego materiału. W zależności od stężenia obu składników w kompozycie można dowolnie wpływać na charakterystykę materiału: jego własności wytrzymałościowe oraz fizyczne. Wszystkie te cechy decydują o bardzo szerokim spektrum zastosowań zarówno opracowywanej technologii, jak i wytworzonego przy jej pomocy materiału. Skupiając się jednak na zastosowaniach medycznych, należy wspomnieć, że dzięki szerokim możliwościom modyfikacji, zarówno technologii, jak i samego materiału, możliwe staje się bezpośrednie dostosowywanie Analizując założenia, które muszą być spełnione w wytwarzaniu kompozytów bioresorbowalnych, podjęto próby z wykorzystaniem polimeru bioresorbowalnego, a także ceramiki hydroksyapatytowej. Własności polimeru w połączeniu z własnościami ceramiki gwarantują uzyskanie materiału o charakterystykach zbliżonych do naturalnych tkanek, które czasowo są zastępowane takimi właśnie elementami. Metoda pozwala na wytwarzanie elementów o skomplikowanych kształtach (np. na podstawie obrazów tomografii komputerowej) w jednej operacji. Ograniczona liczba operacji, wykorzystywany materiał, a także specyfika procesu daje szanse szybkiej reakcji na zapotrzebowanie konkretnych pacjentów, a to może rzutować na zdecydowany postęp w rozwoju implantologii. Wytworzony, dzięki opracowanej metodzie, materiał kompozytowy, charakteryzuje się m. in. homogenicznym rozkładem obu składników, co może mieć bezpośrednie odniesienie do własności materiału. 137

5 STRUKTURA KOMPOZYTÓW BIORESORBOWALNYCH WYTWORZONYCH Zadanie współfinansowane ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego Literatura 1. Gaasbeek D.A.R., Toonen G.H., van Heerwarden J.R., Buma P.: Mechanism of bone incorporation of β-tcp bone substitute in open wedge tibial osteotomy in patients. Biomaterials 2005, 26(33), p Gebhardt A.: Rapid prototyping. Munich: Hanser, Hao L., Dadbakhsh S., Seaman O., Felstead M.: Selective laser melting of a stainless steel and hydroxyapatite composites for load-bearing implant development. Journal of Materials Processing Technology 2009, Vol. 209, Iss. 17, p Hoeges S., Lindner M., Fischer H., Meiners W., Wissenbach K.: Manufacturing of bone substitute implants using selective laser melting. In: Vander Sloten J., Verdonck P., Nyssen M. and Haueisen J. (Eds), ECIFMBE 2008, IFMBE Proc. Vol. 22, p Hollander A.D., Wirtz T., von Walter M., Linker R., Schultheis A., Paar O.: Development of individual three-dimensional bone substitutes using selective laser melting. European Journal of Trauma 2003, Vol. 29, No. 4, p Ion J.C.: Laser processing of engineering materials. Oxford: Elsevier, Kruth J.P., Levy G., Klocke F. and Childs T.H.C.: Consolidation phenomena in laser and powder-bed based layered manufacturing. CIRP Annals 2007, Vol.56, p Li J., Zuo Y., Cheng X., Yang W., Wang H., Li Y.: Preparation and characterization of nanohydroxyapatite/polyamide 66 composite GBR membrane with asymmetric porous structure. Journal of Materials Science: Materials in Medicine 2009, Vol. 20, Iss. 5, p Mao Y., Dong Y., Lin P, Chu C., Sheng X., Guo C.: Preparation of poly (L-lactic acid) microspheres by droplet-freezing process. Materials Science and Engineering C, 2011, Vol. 31, Iss. 1, p Oleksiak K. Opracowanie projektu laserowej drukarki 3D do polimerów. Praca magisterska. Wrocław: Pol. Wrocł., Pielichowska K., Błażewicz S.: Bioactive polymer/hydroxyapatite (Nano)composites for bone tissue regeneration. Biopolymers Advances in Polymer Science 2010, Vol. 232, p Puppi D., Chiellini F., Piras A.M., Chiellini E.: Polymeric materials for bone and cartilage repair. Progress in Polymer Science 2010, Vol. 35 (4), p Recularu L., Eschler R., Eschler P.Y., Meyer J.M.: Corrosion behavior of a welded stainless steel orthopedic implant. Biomaterials 2001, Vol. 22, Iss. 3, p Ren J., Zhao P., Ren T., Gu S., Pan K.: Poly (D,L-Lactide)/nano-hydroxyapatite composite scaffolds for bone tissue engineering and biocompatibility evaluation. Journal of Materials Science: Materials in Medicine 2008, Vol. 19, Iss. 3, p Tolochko N. K., Laoui T., Khlopkov Y. V., Mozzharov S. E., Titov V. I., Ignatiev M. B.: Absorptance of powder materials suitable for laser sintering. Rapid Prototyping Journal 2000, Vol.6, Iss. 3, p Wang M., Yue C.Y., Chua B., Production and evaluation of hydroxyapatite reinforced polysulfone for tissue replacement. Journal of Materials Science: Materials in Medicine 2001, Vol. 12, Iss. 9, p