3D-печать силиконовых и полиуретановых эластомеров для применения в медицинских целях

8 января, 2024 Другие новости  Нет комментариев

Эластомеры – это важнейшие искусственно-созданные материалы, которые применяются во многих областях современной жизни человечества, включая здравоохранение. Они имеют механические свойства, аналогичные некоторым мягким тканям человеческого тела, что делает их полезными в таких областях, как имплантаты и протезирование. Однако формирование эластомеров для индивидуальных медицинских устройств с использованием 3D-печати до сих пор не получило широкого применения из-за текущих проблем, которые считаются присущими свойствам эластомеров, а также принципам методов 3D-печати.

Технология 3Dпечати позволяет производить сложные детали, для которых традиционные производственные процессы, такие как механическая обработка и формование, не подходят. Эта технология постоянно набирает популярность в сфере медицины благодаря быстрому методу изготовления индивидуального имплантата или носимого медицинского устройства, которое хорошо соответствует уникальной анатомии человека. Полимеры на протяжении многих лет пользовались большим успехом в биомедицинских устройствах. Уникальные физические, органолептические, химические, биологически-нейтральные свойства делают их пригодными для различных методов 3D-печати, а особенно для использования в медицинских целях, таких как хранение (упаковка) лекарств, ортопедия, стоматология, а также имплантация мягких/твёрдых тканей. Однако с течением времени, благодаря врождённым свойствам мягких полимеров, жёсткие полимеры добились большого успеха в различных технологиях 3D-печати по сравнению с эластомерами, несмотря на значительно широкое применение последних в различных сферах техно. В биомедицинских целях эластомеры могут добавляться в носимые медицинские устройства и протезы для обеспечения комфорта. Они также необходимы для имплантатов, которые должны быть мягкими, чтобы имитировать свойства мягких тканей.

Регулирование использования материалов, используемых в медицинских изделиях, имеет решающее значение для безопасности пользователя. Эти медицинские изделия оцениваются на основе предполагаемого использования, места их применения в организме и продолжительности контакта. Чтобы считаться биосовместимым медицинским изделием в соответствии со стандартами (которые включают ISO 10993–5 на цитотоксичность и ISO 10993–10 на раздражение и сенсибилизацию), оно должно как минимум пройти биологические тесты, необходимые для контакта с неповреждённой кожей. Дополнительные тесты необходимы, если устройство предназначено для контакта со слизистыми оболочками, повреждёнными поверхностями, кровью или тканями. Силикон и полиуретан — единственные эластомеры, встречающиеся в списке допущенных по этим стандартам и пригодные для 3D-печати. Эти материалы действительно являются идеальными, для, например, устройств с «электронной кожей» (e-skin), поскольку они могут точно повторять характеристики человеческой кожи. Гибкость, растяжимость, биосовместимость и комфорт делают их подходящим выбором для таких применений. Помимо применения на коже, оба материала в течение последних нескольких лет тщательно исследовались на предмет их широкого использования в биомедицинских целях благодаря их биосовместимости и биостабильности.

Эластомеры представляют собой вязкоупругие полимеры с длинными цепями, но с низкой плотностью поперечных связей. Межмолекулярные силы между длинными нитями полимерной цепи слабы, поэтому они подвергаются сильному удлинению при воздействии нагрузки, а потом могут принимать обратно прежнюю форму, после снятия нагрузки. Их все можно классифицировать по типу сшивки: физически сшитые (также известные как термопластичные эластомеры) или химически сшитые (также известные как термореактивные эластомеры или просто эластомеры). Химически сшитые материалы (например, силикон), имеют соединения своих гибких полимерных цепей ковалентными связями. А физически сшитые эластомеры, особенно в случае полиуретана, удерживаются вместе за счёт диполярных сил (жёстких сегментов). Эта форма термопластичного эластомера содержит две отдельные микрофазы: стекловидные или кристаллические твёрдые сегменты, обеспечивающие механическую прочность, и аморфные сегменты, обеспечивающие гибкость.

Термореактивные материалы в процессе производства подвергаются необратимой реакции и после этого процесса не подлежат повторному формованию. А вот термопластические эластомеры (ТПЭ) имеют термически обратимые поперечные связи, что позволяет им сочетать эластичные свойства традиционных эластомеров с характеристиками технологичности и пригодности к вторичной переработке термопластов. ТПЭ можно переформировывать, не подвергая химическому разложению, а, следовательно, они подходят для применений, где требуется изменение геометрии или формы.

Эластомеры могут характеризоваться различными механическими свойствами, включая прочность на разрыв, твёрдость, сопротивление сдвигу и ударную вязкость. Кроме того, они демонстрируют сверхэластичность, обладая большими восстанавливаемыми деформациями при низких нагрузках. Это позволяет эластомерам иметь значения прочности до разрушения до 5000%, что означает, потенциал линейного растяжения (без разрушения структуры) до 50 раз от своей первоначальной длины.

Силикон или полисилоксан представляет собой синтетический эластомер, состоящий из диоксида кремния, кислорода и органических групп, основной цепью которого является Si–O. Прочная ионная связь делает его термически и химически стабильным, устойчивым к окислению, биоинертным и обладающим антиадгезионными свойствами. Типичное применение силикона в медицине включает его использование в качестве катетеров, шунтов, дренажей, стоматологических слепочных форм, имплантатов мягких тканей (например, грудных), наружного протезирования, субстрата для трансдермальной доставки лекарств и мягкого кожного клея для ран и шрамов.

Термопластичный полиуретан (ТПУ) — это класс термопластичных эластомеров. Он обладает эластичными свойствами эластомера и возможностью переработки, как чистый термопласт, что делает его экологически чистым вариантом. Синтез ПУ включает химическую реакцию между изоцианатом и гидроксильной группой полиолов при их ступенчатой ростовой сополимеризации. ТПУ состоит из линейных сегментированных блок-сополимеров с твёрдыми и мягкими сегментами. Твёрдый сегмент состоит из диизоцианата, а мягкий сегмент состоит из длинных гибких полиэфирных или полиэфирных цепей. Эти два сегмента позволяют материалу обладать свойствами памяти формы. Твёрдый сегмент придаёт механическую прочность первоначальной форме, в то время как мягкий сегмент сохраняет энергию для рассеивания, позволяющую ему вернуться в исходную форму при воздействии внешних раздражителей. Это делает его пригодным для применения в сфере здравоохранения, например, в производстве самозатягивающихся швов, датчиков и носимой электроники (например, датчиков).

Моделирование изделий в процессе 3D-печати на основе экструзии, наплавленным осаждением (FDM), печатает детали путём механического нагнетания пластиковой нити с катушки, посредством роликов и подачи её через нагретый разжижитель, имеющий сопло на конце. Расплав выходит из него на платформу сборки одним слоем за раз, образуя целевой отпечаток. Из-за постоянной необходимости плавления и затвердевания полимеров во время печати полимеры, используемые для нитей FDM, являются термопластичными, а значит, этим методом можно печатать только полиуретаном, но не термореактивным силиконом. За счёт того, что это самый доступный процесс 3D-печати, он является популярным, привлекательным и недорогим методом изготовления биомедицинских устройств.

Учёные извлекли выгоду из этого, разработав гибкое микрофлюидное устройство, которое можно изготовить менее чем за 25 минут и по очень низкой цене — примерно 0,01 доллара США за устройство. В целом, гибкость материала в микрофлюидике позволяет микроканалам деформироваться, что позволяет контролировать скорость потока и перепад давления. Это приводит к появлению уникальных функций, таких как микроклапаны и микронасосы. Функциональность смешивания также может быть введена из-за нестабильности стенки жидкости, возникающей при прохождении жидкости через гибкий микроканал. Гибкую микрофлюидику также можно использовать для имитации органов тела, что позволяет проводить анализ клеток in vitro. Однако этот метод приводит к образованию шероховатых стенок канала, что может ограничить его применение в областях, основанных на эффектах стенок или точной симметрии. Это усложняет герметизацию, особенно потому, что канал и мембрана имеют шероховатую печатную поверхность. Зато печать пористых структур этим методом становится всё более привлекательной для медицинских применений.

Двойная (точнее двухслойная) печать с использованием двух материалов: полиуретана и полиэтиленгликоля (PETG) выполняется при производстве биофункциональных челюстно-лицевых имплантатов. Они состоят из внешнего слоя ТПУ (в качестве мягкой оболочки — для предотвращения трещин) и сердцевины, наполненной ПЭТГ, для обеспечения жёсткости. Эта комбинация обеспечила улучшенные механические характеристики. Полиуретан служит не только поглотителем трещин, но и биоактивной оболочкой, обеспечивающей биофункциональность имплантата.

Прямая печать чернилами (DIW) — ещё один метод 3D-печати, основанный на экструзии. Для проталкивания чернил через сопло используется давление воздуха, поршень или шнековый экструдер. После нанесения на платформу для сборки, слой отверждается, либо фотополимеризацией, либо термическим отверждением. В отличие от первого метода, этим способом можно печатать мягкие материалы, включая силикон. DIW можно использовать для биопечати клеток, гидрогелей и биомолекул, при создании трёхмерных моделей тканей, для исследования заболеваний и тестирования лекарств. Например, учёные создали платформу, подобную ткани спинного мозга, путём печати нейрональных и глиальных клеток-предшественников, на силиконовом каркасе, напечатанном на 3D-принтере. Биопринтированные клетки-предшественники головного мозга показали значительное распространение аксонов в каналах каркаса. Этот метод потенциально может быть использован для моделирования травм спинного мозга in vitro, а также в качестве имплантата. Поскольку каждая травма уникальна, 3D-печать позволяет создавать решения для каждого пациента.

В другом случае медики напечатали протез сердечного клапана методом DIW-печати, на изготовленном по индивидуальному заказу непланарном 3D-принтере. Рабочий процесс обеспечивает настраиваемую геометрию и использование биосовместимых силиконов с настраиваемыми свойствами, что позволяет адаптировать его под конкретного пациента. Её можно использовать для моделирования заболеваний in vitro и физических симуляторов.

Эту технологию также можно использовать для изготовления гибкой электроники, путём печати эластомеров со встроенным токопроводящим материалом: уже был испробован способ, при котором создали портативный датчик, содержащий жидкий галлиевый металл, встроенный в силикон. Это было достигнуто за счёт использования двух коаксиальных сопел. Жидкий металл выдавливается через внутреннее сопло, а силикон печатается через внешнее сопло. Это привело к разработке гибкого многофункционального датчика индуктивности соленоидного типа, способного правильно измерять кривизну пальца и степень изгибной деформации эндоскопа.

Обратное встраивание произвольной формы (FRE) — это тип DIW, который позволяет печатать чернилами низкой вязкости, печать которых в противном случае было бы затруднительно с использованием типичной установки DIW. При этом типе 3D-печати чернила выдавливаются в опорную матрицу. Это также ещё один способ печати эластомером с низким модулем упругости, который требует поддержки выступающих элементов. Различные способы печати можно применять, используя комбинации носителя и экструдированного чернильного материала. Гидрофобные и гидрофильные свойства делают чернила и основу несмешивающимися друг с другом. Так, например, напечатали много различных индивидуальных носимых силиконовых манжет для пульсоксиметра и других растягивающихся датчиков. Датчики демонстрировали хорошие электрические характеристики до степени растяжения в 400%.

Учёные уже создали самовосстанавливающийся опорный материал из микрогеля, который позволяет соплу постоянно перемещаться по одному и тому же месту во время печати, одновременно поддерживая напечатанные структуры. Это позволило печатать силиконовые структуры, такие как модельные имплантаты трахеи и силиконовые каркасы. В дополнение к этому разработали силиконовый композит, который служит функциональной опорной ванной для «жертвенных чернил», выбрасываемых из сопла 3D-принтера. Водорастворимые «жертвенные чернила» потом вымываются из напечатанных каналов. С помощью этого метода были изготовлены микрофлюидные устройства сложной формы.

Струйная обработка материалов, широко известная как струйная печать, основана на контролируемом высвобождении капель расплавленного материала (чернил) для формирования слоя за слоем 3D-печатного объекта. Он избирательно подаёт чернила из сопла или нескольких сопел на рабочую платформу. После нанесения материала его отверждают под воздействием ультрафиолета или тепла, с образованием твёрдого объекта. Этот тип принтера подходит для печати широкого спектра полимерных материалов из группы термопластов, термореактивных материалов и эластомеров.

Другая категория 3D-печати — фотополимеризация в ваннах. Он использует свет определённой длины волны с достаточной энергией, чтобы инициировать полимеризацию светочувствительной полимерной смолы, содержащейся в ванне. Используемая здесь светочувствительная смола содержит фотоинициатор, который при воздействии света создаёт реактивные частицы, которые вызывают сшивку, тем самым затвердевая экспонированную часть. Этот процесс фотоотверждения выполняется шаг за шагом, пока не образуется желаемая конечная деталь. Существует множество разновидностей этой отрасли 3D-печати, поэтому перечисление и описание их всех, в рамках одной статьи, невозможно. Один из методов применялся для изготовления эластомерного каркаса мениска коленного сустава с оптимизированной структурой и функцией. Мениск – это амортизирующий хрящ, расположенный между коленным суставом. Из-за его низкой способности к самовосстановлению у пожилых людей возникают проблемы с коленными суставами. Печать FDM и DIW страдает недостатком образования шероховатой поверхности, что недопустимо при изготовлении мениска, так как тому крайне необходима гладкая поверхность, чтобы избежать интенсивного износа хряща. Таким образом, метод фотополимеризации оказался подходящим для этой цели.

Аддитивное производство получило инновационное применение при изготовлении медицинских устройств из эластомеров, но в случае принтеров, использующих фотополимеры, недостаточно просто полагаться на этикетки из смолы, подтверждающие биосовместимость на основе конкретных тестов ISO. Чтобы гарантировать биосовместимость, необходимо провести обширные процедуры постобработки (отверждение и очистку), чтобы гарантировать полное удаление любых остаточных мономеров или излишков фотоинициаторов. Этот шаг необходим для устранения любых потенциальных цитотоксических эффектов, которые могут возникнуть из-за присутствия этих остаточных химических веществ. Кроме того, при настройке фотосмол для улучшения их свойств по сравнению с теми, которые доступны на рынке, следует учитывать различные факторы, такие как тип фотореакции и используемый фотоинициатор, поскольку было доказано, что они влияют на биосовместимость получаемых печатных деталей, хотя необходимы дополнительные исследования, чтобы подтвердить их существенное влияние на биосовместимость.

Различные обсуждаемые технологии 3D-печати изначально были предназначены для печати жёсткими полимерами и не в медицинских целях. Но использование эластомеров бросает вызов первоначальной конструкции этих принтеров, из-за изменения вязкости, тиксотропии и твёрдости используемых материалов. Эти проблемы потребовали решения, которое потребовало изменения механической конструкции принтера и химического состава. А кроме того, появились принципиально новые подходы организации самого печатного процесса. Однако некоторые из этих решений имеют недостатки или ограничения, которые мешают их широкому внедрению.

Что отличает эластомерную печать от типичных жёстких полимеров, так это медленное время печати. При экструзионной печати скорость печатающей головки относительно низкая, а при фотополимеризации в ванне или струйной печати, материалы долго отверждаются. Более того, печать эластомерных медицинских изделий сильно затруднена из-за отсутствия дешёвых биосовместимых эластомерных смол. Чтобы обеспечить эффективное массовое использование и быстрое производство сложных эластомерных медицинских устройств с помощью 3D-печати, крайне важно сделать коммерчески доступными высокоэффективные смолы, рецептуры которых разрабатываются по индивидуальному заказу, в ходе различных исследований. Для ускорения процессов надо создавать банки знаний в крупных дата-центрах, куда будут стекаться результаты таких исследований – это позволит не проводить некоторые из них повторно, а также быстрее подбирать материал по входным параметрам. Кроме того, также важно решить проблемы, связанные с возможностью 3D-печати различными способами, используя экономически эффективные решения, сводящие к минимуму необходимость обширных модификаций существующих принтеров.

Читайте также