NOWE MOŻLIWOŚCI WYTWARZANIA INDYWIDUALIZOWANYCH

Andrzej PAWLAK, Edward CHLEBUS, Centre for Advanced Manufacturing
Technologies, Politechnika Wrocławska, Wrocław
NOWE MOŻLIWOŚCI WYTWARZANIA INDYWIDUALIZOWANYCH,
RESORBOWALNYCH IMPLANTÓW NA BAZIE MAGNEZU Z
WYKORZYSTANIEM TECHNOLOGII PRZYROSTOWYCH
NEW POSSIBILITIES OF MANUFACTURING INDIVIDUALIZED,
SOLUBLE IMPLANTS FROM MAGNESIUM BASED ALLOYS USING
ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGIES
Słowa kluczowe: Selective Laser Melting, AZ31, Stopy magnezu, technologie
przyrostowe
1. WSTĘP
Zarówno w kardiologii jak i leczeniu ortopedycznym, materiały resorbowalne są obiektem
zainteresowania od ponad stulecia. Poza możliwością samoistnego rozkładu i wydalenia
implantu po spełnieniu przez niego zadania, drugim głównym obszarem zastosowania
materiałów resorbowalnych jest możliwość stopniowego i miejscowego uwalniania leków [1].
Od wielu lat wzrasta zainteresowanie zastosowaniem magnezu i jego stopów na implanty
kostne. Magnez charakteryzuje się niską toksycznością i bioaktywnością, jest biologicznie
czynny, propaguje metabolizm i stymuluje wzrost kości, o czym świadczy choćby jego
naturalna obecność w tkance kostnej [2]. Jednak dotychczasowe wyniki wskazują na zbyt
szybkie tempo resorpcji w stosunku do czasu leczenia miejsca które mają wspomagać [3].
Badania nad materiałami na bazie magnezu, wskazują, że szybkie krzepnięcie materiału w
procesie odlewania poprawia wytrzymałość mechaniczną w skutek modyfikacji
mikrostruktury. W rezultacie, wartości charakterystyk przekraczają wartości
wysokowytrzymałych stopów aluminium. Procesy technologii przyrostowych (Additive
Manufacturing – AM), jak np. Selective Laser Melting (SLM), są obarczone wysokim
gradientem temperaturowym, wywoływanym przez gwałtowne topienie proszku i jego szybkie
krzepnięcie, co może w rezultacie wywołać opisany wyżej efekt. Dodatkowo technologie
przyrostowe stwarzają możliwości wytwarzania skomplikowanych struktur przestrzennych
a nawet indywidualnie dopasowanych do każdego pacjenta implantów, co jest już stosowane.
Literatura wskazuje na zainteresowanie wykorzystaniem proszków stopu magnezu w
technologiach AM. Dotychczas opublikowane wyniki badań, pochodzą z ośrodka naukowego
na dalekim wschodzie i nie dotyczą otrzymywanych gęstości materiału, a zaledwie
uzyskiwaniu prymitywów z przetopionego materiału [4]. Doniesienia konferencyjne, mówią o
zainteresowaniu stopami magnezu w technologiach AM również w Europie [5] [6].
2. MATERIAŁ I METODY
Do badań możliwości wytwarzania resorbowalnych implantów medycznych w technologii
przyrostowej SLM, wykorzystano proszek stopu AZ31. Przeprowadzono badania zasiedlania
XIII Konferencja Naukowa Majówka Młodych Biomechaników im. prof. Dagmary Tejszerskiej
s. 94
implantów wyprodukowanych w technologii SLM z wykorzystaniem komórek ludzkich
osteoblastów hFOB 1.19 (ATCC CRL-11372), oraz szczepów wzorcowych bakterii
Pseudomonas aeruginosa (ATCC 15442), oraz Stapylococcus aureus (ATCC 6538).
3. WYNIKI
Otrzymane wyniki z hodowli komórek hFOB, oraz bakterii szczepów P.aeruginosa i
S.aureus [7], wykazują duże skłonności do namnażania na powierzchniach implantów. W
przypadku komórek hFOB wysokie tempo namnażania jest bardzo pożądane, natomiast w
przypadku szczepów obu wspomnianych bakterii, wiąże się z koniecznością zwrócenia
szczególnej uwagi na zagrożenia ze sobą wiążące. Dodatkowo dostępne możliwości
modyfikacji powierzchni mogą korzystnie wpłynąć na zmniejszenie tendencji namnażania
komórek bakteryjnych na powierzchni implantów, nie pogarszając zdolności do namnażania
osteoblastów [8] [9].
4. PODSUMOWANIE
Technologie przyrostowe, jak przedstawiona w niniejszej pracy technologia SLM, stwarza
nowe możliwości kształtowania złożonych geometrycznie struktur, a nawet modyfikacji
właściwości materiałowych, przetapianych proszków metali. Dotychczasowe materiały
metaliczne zyskują nowe możliwości aplikacyjne, w zależności od zastosowanych parametrów
procesowych i uzyskanych właściwości.
LITERATURA
[1] Peuster M., Beerbaum P., Bach F.W., Hauser H., “Are resorbable implants about to become
a reality?”, Cardiology in the Young, vol. 16, 2006, s. 107-116.
[2] F. Witte, “The history of biodegradable magnesium implants: A review,” Acta
Biomaterialia, vol. 6, 2010, pp.1680-1692
[3] Staiger M.P., Pietak A.M., Huadmai J., Dias G., 2006. Magnesium and its alloys as
orthopedic biomaterials: A review. Biomaterials 27: 1728-1734.
[4] M.M. Savalani, C.C. Ng, H.C. Man. Selective laser melting of Magnesium for Future
Applications in the Medicine. 2010 International Conference on Manufacturing
Automation. 2010. pp. 50-54.
[5] Gieseke M., Nölke Ch., Kaierle S., Maier H. J., Haferkamp H., Selective Laser Melting of
Magnesium Alloys for Manufacturing Individual Implants, DDMC 2014 Fraunhofer Direct
Digital Manufacturing Conference, 2014
[6] L. Jauer, W. Meiners, R. Poprawe, “Selective Laser Melting of biodegradable metals,“
European Cells and Materials, vol. 26, Supplement. 5, 2013, p. 21
[7] Pawlak A., Chlebus E., Szymczyk P., Ziółkowski G., Junka A. F., Selective Laser Melting
of Magnesium AZ31 Alloy for Future Medical Applications, DDMC 2016, Proceedings of
the Fraunhofer Direct Digital Manufacturing Conference, Fraunhofer IPT, Aachen; Axel
Demmer, 2016,
[8] Szymczyk P., Junka A., Ziółkowski G., Smutnicka S., Bartoszewicz M., Chlebus E., „The
ability of S.aureus to form biofilm on the Ti-6Al-7Nb scaffolds produced by Selective
Laser Melting and subjected to the different types of surface modifications”, Acta of
Bioengineering and Biomechanics. 2013, vol. 15, nr 1, s. 69-76.
[9] Junka A.F. Szymczyk P., Secewicz A., Pawlak A., Smutnicka D., Ziółkowski G.,
Bartoszewicz M., Chlebus E., „The chemical digestion of Ti6Al7Nb scaffolds produced by
Selective Laser Melting reduces significantly ability of Pseudomonas aeruginosa to form
biofilm”, Acta of Bioengineering and Biomechanics. 2016, vol. 18, nr 1, s.