Badanie możliwości przygotowania past do drukowania przestrzennego (3D) z wybranych biomateriałów ceramicznych

• Autorzy: Wiśniewski Z. , Jaegermann Z. , Tymowicz-Grzyb P. , Biernat M. , Pęczkowski P.

Warianty tytułu

EN

Preliminary study on pastes of selected ceramic biomaterials for use in 3D printing

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Celem niniejszej pracy było przygotowanie past do drukowania przestrzennego z wybranych biomateriałów oraz wykonanie próby wyciskania past przez ustnik o średnicy wewnętrznej 0,45 mm. W ramach pracy wytypowano proszki biomateriałów i przeprowadzono badanie ich uziarnienia i morfologii. Wykonano zestawy past o różnych zawartościach substancji uplastyczniających z czterech rodzajów biomateriałów stosowanych w chirurgii kości: z kalcytu, aragonitu, hydroksyapatytu i trójfosforanu wapnia – β-TCP. Z użyciem specjalistycznej przystawki do maszyny wytrzymałościowej testowano sposób wyciskania past z jednoczesnym pomiarem siły potrzebnej do formowania pasma. Ocenę jakości uzyskanych pasm (jednorodności masy, morfologii powierzchni pasma, zdolności do wzajemnego zespolenia pasm pomiędzy sobą oraz podatności na odkształcenie) prowadzono metodą obserwacji obrazów w mikroskopie stereoskopowym i skaningowym. Następnie wytypowano receptury past, które po dopracowaniu szczegółów technologicznych będą mogły być zastosowane w docelowym urządzeniu drukującym. Doświadczenia wynikłe z realizacji pracy będą wykorzystywane przy opracowaniu receptur past i formowaniu ceramicznych struktur przestrzennych w drukarkach 3D.

EN

The aim of this work was to prepare pastes for 3D printing made of selected biomaterials and to attempt an extrusion of pastes through the nozzle with an inside diameter of 0,45 mm. For the aim of the study powders of biomaterials were selected, their particle size was measured and powders’ morphology was observed. Pastes with different contents of plasticizing substances made of four types of biomaterials used in bone surgery: the calcite, aragonite, hydroxyapatite and tricalcium phosphate – β-TCP were prepared. The method of pastes extrusion process with simultaneous measurement of the force needed to form the bands was determined using a special adapter for testing machine. Evaluation of the quality of the bands (microstructure uniformity, surface morphology of bands, capacity to form a junction between bands and the deformability) was performed by observations in the stereomicroscope and scanning electron microscope. Then the most suitable pastes recipes were selected. Technological details of their preparation have to be optimized for their application in selected printing device. The experience resulting from this work will be used in designing ceramic pastes systems for application in 3D printers.

Słowa kluczowe

PL

biomateriały ceramiczne; kalcyt; aragonit; hydroksyapatyt; β-TCP; drukowanie 3D

EN

ceramic biomaterials; calcite; aragonite; hydroxyapatite; β-TCP; 3D printing

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz - Instytut Ceramiki i Materiałów Budowlanych
• Czasopismo: Szkło i Ceramika
• Rocznik: 2016
• Tom: R. 67, nr 4
• Strony: 10--15
• Opis fizyczny: Bibliogr. 21 poz., fot., rys., tab.

Twórcy

autor

Wiśniewski Z.

• Instytut Ceramiki i Materiałów Budowlanych

autor

Jaegermann Z.

• Instytut Ceramiki i Materiałów Budowlanych

autor

Tymowicz-Grzyb P.

• Instytut Ceramiki i Materiałów Budowlanych

autor

Biernat M.

• Instytut Ceramiki i Materiałów Budowlanych

autor

Pęczkowski P.

• Instytut Ceramiki i Materiałów Budowlanych

Bibliografia

• [1] Chang B. S., Lee C. K., Hong K. S., Youn H. J., Ryu H. S., Chung S. S. (2000), Osteoconduction at porous hydroxyapatite with various pore configurations, „Biomaterials”, 21, 1291–1298.
• [2] Yang S., Leong K. F., Du Z., Chua C. K. (2001), The design of scaffolds for use in tissue engineering. Part I. Traditional factors, „Tissue Engineering”, 7,679–689.
• [3] Giannitelli S. M., Accoto D., Trombetta M., Rainer A. (2014), Current trends in the design of scaffolds for computer-aided tissue engineering, „Acta Biomaterialia”, 10, 580–594.
• [4] Morissette S. L., Lewis J. A., Cesarano III J., Dimos D. B., Baer T. (2000), Solid Freeform Fabrication of Aqueous Alumina–Poly(vinyl alcohol) GelcastingSuspensions, „Journal of the American Ceramic Society”, 83, 2409–2416.
• [5] Lu X., Leeb Y., Yang S., Hao Y., Evans J. R. G., Parini C. G. (2009), Fine lattice structures fabricated by extrusion freeforming: Process variables, „Journal of Materials Processing Technology”, 209, 4654–4661.
• [6] Ostrowska C., Swięszkowski W., Kurzydłowski K. J. (2012), Investigation of influence of internal architecture on mechanical properties of 3D printed scaffolds for bone tissue engineering, „Engineering of Biomaterials”, 8–9, 116–117.
• [7] Susmita Bose S., Sahar Vahabzadeh S., Amit Bandyopadhyay A. (2013), Bone tissue engineering using 3D printing, „Materials Today”, 16, 496–504.
• [8] Franco J., Hunger P., Launey M. E., Tomsia A. P., Saiz E. (2010), Direct write assembly of calcium phosphate scaffolds using a water-based hydrogel, „Acta Biomaterialia”, 6, 218–228.
• [9] Yang S., Yang H., Chi X., Evans J. R. G., Thompson I., Cook R. J., Robinson P. (2008), Rapid prototyping of ceramic lattices for hard tissue scaffolds, „Materials and Design”, 29, 1802–1809.
• [10] Zhou Z., Buchanan F., Mitchel C., Dunne N. (2014), Printability of calcium phosphate: calcium sulphate powders for the application of tissue engineered bone scaffolds using the 3D printing technique, „Materials Science & Engineering C”, DOI: 10.1016/j.msec.2014.01.027.
• [11] Al-Ahmad A., Wiedmann-Al-Ahmad M., Carvalho C., Lang M., Follo M., Braun G., Wittmer A., Mulhaupt R. E., Hellwig E. (2008), Bacterial and Candida albicans adhesion on rapid prototyping-produced 3D-scaffolds manufactured as bone replacement materials, „Journal of Biomedical Materials Research Part A”, DOI: 10.1002/jbm.a.31832.
• [12] Schlordt T., Schwanke S., Keppner F., Fey T., Travitzky N., Greil P. (2013), Robocasting of alumina hollow filament lattice structures, „Journal of the European Ceramic Society”, 33, 3243–3248.
• [13] van Noort R. (2012), The future of dental devices is digital, „Dental Materials”, 28, 3–12.
• [14] Liu X., Rahaman M. N., Hilmas G. E., Bal B. S. (2013), Mechanical properties of bioactive glass (13-93) scaffolds fabricated by robotic deposition for structural bone repair, „Acta Biomaterialia”, 9, 7025–7034.
• [15] Eqtesadi S., Motealleh A., Miranda P., Pajares A., Lemosb A., Ferreira J. M. F. (2014), Robocasting of 45S5 bioactive glass scaffolds for bone tissue engineering, „Journal of the European Ceramic Society”, 34, 107–118.
• [16] Jaegermann Z., Karaś J., Michałowski S. (2003), Struktury porowate materiałów ceramicznych na nośniki żywych komórek do stosowania w inżynierii tkankowej, „Inżynieria Biomateriałów”, 30–33, 12–14.
• [17] Michałowski S., Jaegermann Z., Karaś J. (2004), Properties of calcite materials for cell culture scaffolds, „Engineering of Biomaterials”, 38–42, 94–96.
• [18] Chróścicka A., Jaegermann Z., Wychowański P., Ratajska A., Sadło J., Hoser G., Michałowski S., Lewandowska-Szumiel M. (2015), Synthetic calcite as a scaffold for osteoinductive bone substitutes, „Annals of Biomedical Engineering”, DOI: 10.1007/s10439-015-1520-3.
• [19] Patent PL 203494: Sposób wytwarzania porowatego tworzywa ceramicznego, zwłaszcza na implanty, 2010.
• [20] Zhou G. T., Zheng Y. F. (1998), Synthesis of aragonite-type calcium carbonate by over growth technique at atmospheric pressure, „J. Mat. Sci. Let.”, 17, 905–908.
• [21] Łosiewicz A., Jakubiuk T. (2009), Dobór środków uplastyczniających do ekstruzyjnego formowania wyrobów ceramiki technicznej, „Prace ICiMB”, 3, 27–36.

Uwagi

PL

1. Praca została sfinansowana ze środków przeznaczonych na działalność statutową Instytutu Ceramiki i Materiałów Budowlanych w Warszawie. 2. Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę.