Chinese onderzoekers zijn erin geslaagd, naar eigen zeggen als eerste in de wereld, een laser 3D-geprint knie-implantaat te ontwikkelen. Volgens de onderzoekers wordt met deze innovatie de 3D-printtechnologie voor medische toepassingen naar een hoger niveau getild. Het onderzoek biedt daarnaast ook nieuwe inzichten in de invloed van 3D-printen op metalen implantaten.
In hun onderzoek richtten de wetenschappers van Naton Biotechnology op het verbeteren van de sterkte en consistentie van implantaten van kobalt-chroom-molybdeen (CoCrMo) legeringen die gemaakt zijn met behulp van laser powder bed fusion (LPBF), een 3D-printproces.
Kwaliteitsverbetering
Het onderzoek leidde tot de ontdekking van inconsistenties in de structuur van het materiaal. Dit kon opgelost worden door de warmtebehandeling te optimaliseren. Dit zorgt ervoor dat implantaten sterker, betrouwbaarder en veiliger zijn voor patiënten. Met het onderzoek, gepubliceerd in het tijdschrift Materials Futures, is volgens de onderzoekers ook de basis gelegd voor een betere kwaliteitscontrole bij de productie van orthopedische hulpmiddelen.
Kobalt-Chroom-Molybdeen (CoCrMo) is een veelgebruikt materiaal voor implantaten. Het laag-voor-laag productieproces vindt plaats bij extreem hoge koelsnelheden (~10⁵-10⁶ K/s). Door het snelle stollingsproces kunnen binnen het geprinte implantaat verschillen ontstaan in de eigenschappen van het materiaal, afhankelijk in welke richting er kracht op uitgeoefend wordt. Deze verschillen ontstaan door het ontstaan van zogenoemde zuilvormige korrelstructuren, porositeit en restspanning. Allemaal eigenschappen die inherent zijn aan het 3D-printproces.
Krachten uit verschillende richtingen
Er is weliswaar al uitgebreid onderzoek gedaan naar LPBF-gefabriceerde CoCrMo legeringen, maar, bij de meeste studies is alleen gekeken naar de prestaties en duurzaamheid van dit geprinte materiaal wanneer er kracht in één richting op uitgeoefend wordt. Daarbij wordt over het hoofd gezien hoe anisotropie de algehele duurzaamheid beïnvloedt. Implantaten in het menselijk lichaam moeten vaak krachten uit meerdere richtingen weerstaan. Als de sterkte van het materiaal niet consistent is, kunnen er zwakke plekken ontstaan, waardoor het risico op breuk of falen toeneemt.
Om dit probleem op te lossen ontdekten de onderzoekers dat een warmtebehandelingsproces in twee stappen de uniformiteit van de structuur en sterkte van het metaal aanzienlijk verbeterde. Dat proces bestond uit verschillende stappen en fases, waarbij het materiaal eerst een uur lang verhit werd (1150°C) en daarna snel in water gekoeld. In de volgende fase werd het materiaal gedurende een half uur naar 450 graden opgewarmd en daarna wederom gekoeld. Met deze stappen werden ongelijke metaalkorrels geherstructureerd en de korrelstructuur van het materiaal verfijnd. Het belangrijkste resultaat daarvan was dat de sterkte en flexibiliteit van het metaal, ook wanneer er krachten uit verschillende richtingen op uitgeoefend werden, duidelijk verbeterde.
3D-printen in de zorg
Hoewel de ontwikkeling en toepassing van AI-oplossingen in de zorg al geruime tijd in de spotlights staan, wordt ook op het gebied van 3D-printtechnologie veel geïnnoveerd. 3D-geprinte implantaten worden al heel wat jaren getest en ingezet. Zo ontwikkelde het Martini Ziekenhuis twee jaar geleden een innovatieve methode om versleten polsen te herstellen met behulp van op maat gemaakte 3D-geprinte implantaten.
Ook ontwikkelingen zoals het 3D-printen van een realistische kopie van het hart van een patiënt, als ondersteuning voor de voorbereiding van een complexe hartoperatie, is een goed voorbeeld. En wat te denken van de toepassing van een 3D-geprinte implantaat van bioresorbeerbare materialen dat ervoor zorgt dat de lichaamseigen hartkleppen worden geregenereerd.
3D-geprinte implantaten verbeteren
Het Chinese onderzoek biedt nieuwe inzichten in hoe 3D-geprinte metalen implantaten verbeterd kunnen worden, zodat ze veiliger en duurzamer worden voor patiënten. Door ongelijke sterkte en materiaalkwaliteit aan te pakken, legt deze doorbraak de basis voor betere orthopedische implantaten, met name voor gewrichtsvervangingen.
Het onderzoek stond onder leiding van professor Changhui Song van de South China University of Technology en professor Jia-Kuo Yu van het Beijing Tsinghua Changgung Hospital als co-corresponderende auteurs. Het onderzoek werd uitgevoerd in samenwerking met Senior Engineer Renyao Li van Naton Biotechnology (Beijing) Co, Ltd en andere leden van het team.
