מדוע העיבוד שלאחר-ההדפסה בתלת-ממד מתכת בתעשייה הרפואית דורש טיפול בחום?

1. היפטרות משאריות מתח: מניעת כשל בשתל ועיוות
הדפסת מתכת תלת מימדית, כמו התכה סלקטיבית בלייזר (SLM), מייצרת תבניות על ידי המסת אבקת מתכת שכבה אחר שכבה. עם זאת, חימום וקירור של החומר מהר מדי עלולים להשאיר בתוכו מתח. אם הלחץ הזה לא משתחרר מהר מספיק, זה עלול להוביל לבעיות הבאות:
עיוות וסדק: אם המתח השיורי גבוה מעוצמת התפוקה של החומר, השתל עשוי לשנות צורה לצמיתות או אפילו להישבר במהלך השבועות הראשונים לשימוש בגוף. לדוגמה, אם יש לחץ רב על גביע האצטבולי מסגסוגת טיטניום, הוא יכול לזוז במהלך ההתאוששות של המטופל מהניתוח בגלל שחרור הלחץ, מה שיכול לומר שהמטופל זקוק לניתוח שני.
ירידה ברמת הדיוק הממדית: דפורמציה-שנגרמת על ידי מתח יכול לפגוע בתאימות בין השתל לרקמה האנושית. עבור שתלים דנטליים, למשל, יש לשמור על דיוק החוט בטווח של מיקרומטר, ולחץ שיורי עלול לגרום לחוט לשנות צורה, מה שעלול לסכן את היציבות הראשונית של עצם המכתשית.
קיצור חיי העייפות: השתלים נוטים יותר להתנפץ תחת רכיבת מתח. מחקרים מצביעים על כך שחיי העייפות במחזור נמוך של תומכי סגסוגת כרום קובלט מודפסים בתלת מימד, ללא טיפול בחום, מופחתים ביותר מ-40% ביחס לרכיבים מזויפים קונבנציונליים.
הפגת מתח אפשרית באמצעות תהליכי טיפול בחום כמו חישול ואקום. בתהליך זה, השתל מחומם לטמפרטורה הנכונה (בדרך כלל מתחת לטמפרטורת ההתגבשות מחדש), מוחזק לזמן מה, ולאחר מכן מתקרר באיטיות כך שהגרגרים הפנימיים של החומר יוכלו להתאושש ולהתגבש מחדש, מה שמקל על הלחץ. לדוגמה, חישול ואקום ב-650 מעלות מפחית את המתח השיורי של שתלים אורטופדיים מסגסוגת טיטניום מודפסים בתלת מימד ביותר מ-80% ומשפר מאוד את היציבות המבנית שלהם.
2. שיפור המיקרו-מבנה: הפיכתו לחזק ותואם יותר עם יצורים חיים
ההתמצקות המהירה של הדפסת מתכת תלת-ממדית יכולה בקלות לגרום למיקרו-מבנה לא אחיד, כמו גבישים עמודים, שלבים מטא-יציבים ונקבוביות. זה יכול לגרום לשתלים לעבוד פחות טוב בסך הכל.
הידרדרות של תכונות מכניות: מבנה הגביש העמודי עלול להוביל לאנזיטרופיה, ולגרום לשתלים להיות הרבה יותר חזקים בכיוונים מסוימים מאחרים. אם לסטנט כלי דם מסגסוגת ניקל טיטניום מודפס בתלת מימד יש גבישים עמודים מחוספסים, למשל, כוח התמיכה הרדיאלי שלו עשוי להיות נמוך ב-30% מזה של רקמת הגביש השווה-אקסית ההומוגנית.
נקבוביות גבוהה: כאשר חלקיקי אבקה אינם מתמזגים לחלוטין במהלך ההדפסה, הם יוצרים מיקרו-נקבים, מה שהופך את החומר לפחות צפוף. אם הנקבוביות היא יותר מ-1%, חוזק העייפות של השתל עשוי לרדת ביותר מ-50%, וסכנת הקורוזיה עלולה לעלות.
סיכון לתאימות ביולוגית: שלבים לא יציבים, כגון מרטנזיט, עלולים לשחרר יונים רעילים ולגרום לדלקת. לדוגמה, אם נותר הרבה מרטנזיט בסגסוגות קובלט כרום מודפסות בתלת מימד, פליטת יוני ניקל עשויה להיות גבוהה מהרגיל, מה שעלול לגרום לאלרגיות ברקמות סמוכות.
על ידי שליטה בטמפרטורה ובמשך הזמן, טיפול בחום מייעל את המיקרו-מבנה:
חישול: גורם לגבישים עמודים להפוך לגבישים בעלי שווי ציר ונפטר משלבים יציבים. לדוגמה, לאחר חישול ב-750 מעלות, גודל הגרגירים של סגסוגת טיטניום מודפסת תלת-ממדית -מתעדן לפחות מ-10 מיקרומטר, והאניזוטרופיה מופחתת בהרבה.
כבישה איזוסטטית חמה (HIP): היפטרות מנקבוביות פנימיות בטמפרטורות ולחצים גבוהים (בדרך כלל 100-200MPa) כדי לקבל צפיפות חומר קרוב ל-100%. מחקרים מצביעים על כך שטיפול ב-HIP יכול להפחית את הנקבוביות של סגסוגות כרום קובלט מודפסות בתלת מימד מ-0.8% ל-0.02% ולשפר את חיי העייפות פי שלושה.
תמיסה מוצקה פלוס גיל: לחומרי זיכרון צורה כמו סגסוגות ניקל טיטניום, טיפול בתמיסה מוצקה ממיס שלבים מזיקים, בעוד שטיפול ההזדקנות מזרז שלבי חיזוק. זה מאזן כוח עם גמישות על. לדוגמה, כוח התמיכה הרדיאלי של סטנטים כלי דם מסגסוגת ניקל טיטניום מודפסים בתלת מימד עלה ב-20% בעקבות טיפול בתמיסה מוצקה ב-500 מעלות והזדקנות ב-400 מעלות. גם שיעור שחזור הטופס עלה ליותר מ-99%.
3. מתן מענה לצרכים קליניים: ערובה כפולה להתאמה אישית ופונקציונליזציה
שתלים רפואיים חייבים להיות מותאמים למבנה האנטומי של המטופל תוך מילוי קריטריונים תפקודיים ספציפיים, כגון שילוב עצם ושחרור תרופות. טיפול בחום מסייע ביישומים קליניים בדרכים הבאות:
שילוב של טיפול בחום עם שיטות אחרות לטיפול במשטח כמו התזת חול ותחריט חומצה יכול להפוך את פני השתלים למחוספסים יותר ולעזור לתאי העצם להיצמד אליהם טוב יותר. לדוגמה, לאחר חישול והתזת חול, חספוס פני השטח (Ra) של מפרקי ירך מסגסוגת טיטניום מודפסים בתלת-ממד הוא 3-5 מיקרומטר, והמהירות שבה העצמות משתלבות היא מהירה ב-40% מאשר על משטחים חלקים.
הדפסה תלת מימדית יכולה ליצור מבנים נקבוביים עם נקבוביות של 30% עד 80% וגודל נקבוביות של 100 עד 1000 מיקרומטר, מה שדומה לאופן שבו פועלות טרבקולות עצם טבעיות. טיפול בחום מוודא שהמבנה יישאר יציב על ידי היפטרות מריכוז מתח במקומות נקבוביים. לדוגמה, לאחר טיפול ב-HIP, התקני היתוך בין גוף מסגסוגת טיטניום נקבוביות יכולים לעמוד בעומסים של מעל 100 MPa, וזה מה שדרוש לשימוש קליני.
תמיכה בטעינת תרופות: שתלי חימום יכולים לשנות את המאפיינים הכימיים של המשטחים שלהם, ולתת לציפויים של התרופה מקומות להידבק. לדוגמה, שכבה של תחמוצת מגנזיום נוצרת על פני השטח של סטנט כלי דם מסגסוגת מגנזיום מודפס בתלת-ממד לאחר חישול. שכבה זו יכולה להחזיק תרופות נוגדות-התרבות באמצעות ספיחה פיזית כדי להשיג שחרור ממושך מקומי.
4. נורמות ודרישות הסמכה בתעשייה: נדרש טיפול בחום
שתלים רפואיים צריכים להיות מאושרים על ידי קבוצות מחמירות כמו ה-FDA, CE ו-NMPA. טיפול בחום הוא חלק חשוב בתהליך ההסמכה:
תקן ISO 13485 אומר שיצרני שתלים חייבים לשמור תיעוד מפורט של כל תהליך הטיפול בחום, כולל עקומות טמפרטורה, בקרת אווירה ונתוני בדיקה.
תקן ASTM F3001 אומר שטמפרטורת החישול עבור שתלי סגסוגת טיטניום מודפסים בתלת-ממד צריכה להישמר בין 650 ל-750 מעלות כדי למנוע מהגרגרים להיות גסים מדי.
תקן YY/T 0640: לאחר טיפול HIP, שתלי סגסוגת כרום קובלט חייבים להיות בעלי נקבוביות של לא יותר מ-0.1% וללא שרשראות נקבוביות רציפות.