Vliv složení a nastavení parametrů 3D tisku vzorků určených pro kostní implantáty na jejich morfologii

Influence of the composition and setting of 3D printing parameters of samples intended for bone implants on their morphology

conference proceedings

Czech

V rámci projektu profiBONE, zaměřeného na výzkum a vývoj biofunkcionalizovaného polymer-keramického inkoustu pro nízkoteplotní 3D tisk kostních implantátů, bylo potřeba nalézt vhodné nastavení parametrů pro přímý tisk inkoustu (v našem případě cementové kostní pasty složené z gelujícího tixotropního termocitlivého kopolymeru, biokeramiky a chitosanu). 3D tisk, který se v dnešní době těší stále větší oblibě, oproti jiným běžně používaným technikám, umožňuje přípravu vzorků atypických tvarů, tj. přesně podle tvaru defektu pro který jsou určeny. Tato práce byla zaměřena na optimalizaci 3D tisku vzorků pro kostní implantáty. Optimalizace zahrnovala nejen nalezení vhodných parametrů tisku, ať již z hlediska ideální rychlosti tisku nebo rychlosti dávkování materiálu, ale i přípravu cementové kostní pasty (složení, koncentrace atd.). Dalšími optimalizovanými parametry byly například výška tištěné vrstvy, která musí pro zachování geometrie tištěných vzorků odpovídat přibližně šířce nanášené stopy při tisku struktur. Tisk výplně byl nastaven pro 50% hustotu v mřížce (konstantní v ose Z) a strukturu tištěného materiálu s uspořádáním mřížky ve tvaru gyroidu. Během optimalizace tisku se vyskytla řada problémů jako například špatná adheze tištěného vlákna, slučování materiálů, nízká tuhost pasty vedoucí ke zborcení struktury tištěného vzorku a dále nízká časová stabilita cementové pasty a vysoká soudržnost materiálu. Ze všech těchto testů byly po vyhodnocení struktury a morfologie vytvořeny vhodné profily pro tisk ideálních vzorků. V neposlední řadě byl hodnocen vliv struktury a morfologie tištěných vzorků na jejich fyzikální vlastnosti. Vliv změny nastavení vybraných parametrů na výslednou strukturu a morfologii 3D tištěných vzorků byl sledován pomocí rastrovací elektronové mikroskopie a optické mikroskopie.

As part of the profiBONE project, focused on the research and development of biofunctionalized polymer-ceramic ink for low-temperature 3D printing of bone implants, it was necessary to find suitable parameter settings for direct ink printing (in our case, cement bone paste composed of a gelling thixotropic thermosensitive copolymer, bioceramics and chitosan). . 3D printing, which is increasingly popular these days, compared to other commonly used techniques, enables the preparation of samples of atypical shapes, i.e. exactly according to the shape of the defect for which they are intended. This work was focused on the optimization of 3D printing of samples for bone implants. The optimization included not only finding suitable printing parameters, whether in terms of ideal printing speed or material dosing speed, but also the preparation of cement bone paste (composition, concentration, etc.). Other optimized parameters were, for example, the height of the printed layer, which, in order to preserve the geometry of the printed samples, must correspond approximately to the width of the applied track when printing the structures. The fill print was set for 50% grid density (constant in the Z-axis) and the printed material structure with a gyroid grid layout. During the optimization of printing, a number of problems occurred, such as poor adhesion of the printed fiber, merging of materials, low stiffness of the paste leading to the collapse of the structure of the printed sample, as well as low time stability of the cement paste and high cohesion of the material. From all these tests, after evaluating the structure and morphology, suitable profiles were created for printing ideal samples. Last but not least, the influence of the structure and morphology of the printed samples on their physical properties was evaluated. The effect of changing the settings of selected parameters on the resulting structure and morphology of 3D printed samples was monitored using scanning electron microscopy and optical microscopy.

3D tisk extruzí, kostní implantáty, kostní cement, biokeramika, chitosan

3D extrusion printing, bone implants, bone cement, bioceramics, chitosan

BRTNÍKOVÁ, J.; MICHLOVSKÁ, L.; HLINÁKOVÁ, K.; SCHOLZ, D.; ZETOCHA, M.; MENČÍK, P.; LYSÁKOVÁ, K.; PŘIKRYL, R.; ŽÍDEK, J.; ÖRLYGSSON, G.; CHUEN HOW, N.; VOJTOVÁ, L.

27. 4. 2023

Národní knihovna České republiky

978-80-11-03134-3

XIV. mezinárodní konference Bioimplantologie 2023

27

27

52

https://www.bioimplantologie.cz/down/bioimpl2023_prg.pdf