新技术使研究人员能够定制3D打印抗菌医疗设备
时间：2021-06-28 08:42 来源：中国3D打印网 作者：admin 阅读：次
医疗器械相关感染，例如植入假肢上的感染，很容易被细菌污染，通常会导致临床结果不佳。这导致在治疗细菌生物膜方面面临重大挑战，细菌生物膜具有许多有害影响。生物膜是在自产的细胞外基质中分离的细菌群落，对抗生素的耐受性提高了 1,000 倍，宿主免疫系统防御。它们是一个尚未解决的主要全球生物医学问题，仅在美国就占所有与医疗保健相关的感染的 25.6%。据中国3D打印网了解，生物膜的治疗存在着诊断困难等重大挑战，在临床上，生物膜对抗生素的耐受性也很高，难以根除，广泛用于减少设备感染，但往往伴随着局部毒性和其他副作用。有几种方法可以减少细菌在医疗设备上的粘附，包括 3D 可打印聚合物中的抗菌药物涂层。
受解决设备相关细菌感染和抗菌素耐药性需求的启发，研究人员提出并发表在《Advanced Science》杂志上的新工艺建议使用计算机辅助的多材料 3D 打印技术，该技术证明可以结合复杂的功能在一个定制的医疗保健设备中，以提高患者的健康。根据该研究的主要作者、诺丁汉大学工程学院过渡助理教授何银峰的说法，大多数批量生产的医疗设备无法完全满足用户独特而复杂的需求。同时，单一材料 3D 打印方法具有设计限制，无法生产具有多种生物或机械功能的定制设备。随着全球人口老龄化、慢性病病例增加和全球健康危机导致对医疗设备的自然需求和不断增长的需求，与传统制造技术相比，3D 打印因其成本效益而成为可靠盟友。 3D 打印的医疗设备更便宜，并且可以定制，并且在部件损坏和儿童成长时更容易更换。此外，借助诺丁汉大学研究人员的新技术，医疗保健领域可以进一步改善患者的生活，减轻政府不断增长的医疗预算带来的经济负担。
遵循该方法的示意性方法来开发、3D 打印和表征定制的生物膜抑制装置。图片由诺丁汉大学提供。
研究作者希望创新的设计过程可以应用于 3D 打印任何需要可定制形状和功能的医疗设备。例如，该方法可用于制造高度定制的一体式假肢或关节，以替换丢失的手指或腿，使其完美贴合患者，以提高他们的舒适度和假肢的耐用性。或者，它可以用于打印包含多种药物的定制药丸——称为多药丸——经过优化，以预先设计的治疗顺序释放到体内。
在这项研究中，研究人员应用了一种计算机算法来逐个像素地设计和制造由两种不同硬度的聚合物材料组成的 3D 打印物体，这些材料还可以防止细菌生物膜的形成。他们成功地实现了定制形状和尺寸的零件，通过优化刚度来提供所需的灵活性和强度。通过多材料喷墨 3D 打印，通过 SUSS MicroTec 的双头 PiXDRO LP50 喷墨打印机，他们能够设计每个体素中不同墨水的比例，以展示所需的性能，例如模量或透明度。他们使用可喷墨打印的生物膜抗性配方和计算设计方法来指导多材料设备的制造。作为研究的一部分，该团队能够 3D 打印具有人工指关节置换的传统功能的指关节，该人工指关节置换的刚性也足以植入骨骼。此外，他们定制了它的尺寸和强度，以满足个别患者的要求。
采用多材料 3D 打印工艺制成的具有定制强度分布的抗菌人造手指关节假肢。图片由诺丁汉大学提供。
随着设计控制水平的提高，该团队使用多种材料进行了新型 3D 打印，这些材料本质上具有抗细菌性和生物功能性，使它们能够被植入并对抗感染（可能在手术期间和手术后发生）而无需使用添加的抗生素药物。他们还采用了德国电子制造商 IONTOF 的新高分辨率表征技术。 3D orbiSIMS 仪器用于对打印结构的化学进行 3D 映射，并在整个零件中测试它们之间的结合。这表明——在非常小的尺度上——两种材料在它们的界面处混合，这是良好结合的标志，这意味着这些设备更不容易破裂。
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