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用新型热固化挤出式打印机直接打印硅胶半月板植入物

半月板是膝关节内的一对纤维化软骨垫,起承重垫、润滑装置和膝关节稳定器的作用。半月板撕裂的治疗方案包括直接修复、支架或植入物替换、半月板部分或全部切除(移除受损的半月板组织)。大多数植入物是通过间接成型技术生产的,即首先将模具3D打印或机械加工,然后将硅胶倒入模具中并进行固化。这种间接成型技术既耗时又昂贵,在定制不同几何形状的植入物或空心硅胶部件时也带来了技术挑战。 新加坡南洋理工大学引进了一种新型定制的热固化挤出式硅胶3D打印机,使用生物相容性和植入性硅胶树脂,能够直接3D打印硅胶半月板植入物。首先,从硅树脂的流变学表征中获得最佳固化温度和固化时间。接下来是喷嘴直径、喷嘴温度和床层温度的参数优化,使用一系列参数值,打印出标准的ASTM圆柱形块、T型骨和最终半月板植入物。利用计算流体动力学模拟研究了硅胶树脂通过加热喷嘴的传热,利用Solidworks研究了硅胶半月板植入体的热梯度分布,结果与实时3D打印非常相似。

图1 基于热固化挤压的增材制造实验装置 图例:(1)运动控制平台,(2)挤出机,(3)静态搅拌机,(4)打印头,(5)加热元件

一种新型的硅胶3D打印机成功地用于直接3D打印硅胶半月板植入物,该植入物具有传统热成型半月板的力学性能。新型的3D打印工艺为患者快速3D打印各种可定制的医用硅胶植入物开辟了机遇,填补了目前增材制造行业的空白,因为目前的增材制造技术并未涉及医用硅胶植入物的直接3D打印。

图2 3D打印硅胶半月板在不同加热温度(T1=喷嘴温度,T2=平台温度)和喷嘴内径下的俯视图图像