Vliv rozložení makro kanálků na mechanickou stabilitu kostních náhrad při aplikaci nepřímého 3D tisku

Abstract

Porézne materiály sú momentálne veľkým objektom záujmu tkanivového inžinierstva. Poskytujú unikátne vlastnosti, ako je bioaktivita, biodegradabilita, osteokonduktivita a vaskularizácia. Veľký potenciál v medicínskych aplikáciách vykazujú najmä keramické porézne sústavy. Kritickým problémom pri poréznych scaffoldoch sú zlé mechanické vlastnosti, a preto sa momentálne využívajú len pri nízko zaťažovaných miestach. Táto práca sa zaoberá prípravou scaffoldov z hydroxyapatitu, pomocou metódy freeze-casting, kde bola aplikovaná nepriama 3D tlač s cieľom dosiahnuť otvorené kanáliky s veľkosťou nad 200 µm . Porovnáva mechanické vlastnosti scaffoldov s rôznou vnútornou štruktúrou a sleduje, aký vplyv má implementácia rôznych typov mriežok na výslednú stabilitu. Boli pripravené scaffoldy s rôznym usporiadaním makro kanálikov vo vnútornej štruktúre, ale mali rovnaké rozmery. 3D mriežka bola implementovaná pred mrazením do formy a táto mriežka bola spekaním odstránená, kde vo výslednom scaffolde ostal len systém kanálikov o rozmeroch najmenej 540-600 µm. Experimentálne bolo zistené, že typ 3D mriežky má vplyv na výslednú mechanickú stabilitu scaffoldu. Pootočenie tejto mriežky nemá významný vplyv na výsledok, len napomáha k praskaniu v smere závitnice. Kombinácia týchto metód vykazuje veľmi dobrú kontrolovateľnosť s riadenými makro kanálikmi vo výslednom scaffolde, a preto je vhodná pre prípravu kostných náhrad s rôznou štruktúrou.Porous materials are currently subject to the great interest of tissue engineering. They provide unique properties such as bioactivity, biodegradability, osteoconductivity, and vascularization. Particularly, ceramic porous systems show appreciable potential in medical applications. However, there is a crucial problem with the porous scaffold on account of their bad mechanic properties and therefore they are presently used only at low-load locations. This thesis focuses on the preparation of the scaffolds made of hydroxyapatite by using the freeze-casting method where the indirect 3D printing was applied to get open channels with the size over 200 µm. It also compares the mechanical properties of the scaffolds with different internal structures and monitors how the implementation of different types of grids affects the resulting stability. The scaffolds were prepared with a different arrangement of macro-channel in the internal structure, but they had equal dimensions as common property. The 3D grid was implemented before freezing into the mold and afterward the grid was eliminated by sintering, leaving only a channel system with the size 540-600 µm in the final scaffold. The influence of the type of the 3D grid on the resulting mechanical stability of the scaffold was determined. Rotation of this grid does not have a significant effect on the result, while it only helps with cracking in the direction of the helix. The combination of these methods reports very good controllability with directed macro-channels in the resulting scaffold and therefore it is suitable for the preparation of the bone-implants with different structures.