Sealy, 3D-printere i verdensklasse sat til at skabe opløselige medicinske implantater

Som barn, Michael Sealy var høj. Lidt klodset, han siger. Og han har et varigt bevis:to metalskruer i venstre albue.

Sydpoten blev opereret efter at have snublet og brækket albuen i femte klasse. Kirurger indsatte skruerne for at holde hans ulna-knogle sammen. Knoglen helede. Skruerne blev tilbage.

"Det begynder at gøre ondt, " sagde Sealy om albuen. "Nogle gange ser det ud til at være korreleret med koldt vejr eller en stormfront, der bevæger sig ind. Andre gange, det gør ondt - og selvfølgelig tror min kone mig ikke - når jeg laver pligter, som at bære mælk i kanden eller løfte tøj ud af vaskemaskinen."

Nu en assisterende professor ved University of Nebraska-Lincoln, Sealy har blandet forretning med denne utilfredshed ved at være banebrydende for en ny tilgang til en årtier lang søgen.

"I stedet for at have disse permanente metalimplantater, lad os få en, der forringes over tid, " sagde han. "Lad os fjerne hele denne idé om en anden operation for at få disse implantater fjernet."

Det er en stor udfordring af flere årsager. Men universitetet har udstyret Nebraska Engineering med teknologi, der står mål med den udfordring:den første 3-D-printer i verden, der kan integrere flere materialer og fremstillingsprocesser og samtidig udskrive meget reaktive metaller som magnesium.

I den menneskelige krop, magnesium er et essentielt mineral, der faktisk hjælper med at opretholde knoglernes strukturelle integritet. Men det nedbrydes også hurtigt, når det udsættes for ilt, vand og salte, som alle er rigelige i kroppen.

Denne kombination af fortrolighed og reaktivitet, Sealy sagde, gør magnesium til en vigtig kandidat til at blive den primære ingrediens i opløselige skruer, plader og andre medicinske implantater, der kunne eliminere opfølgende operationer eller et helt liv med smerter under snestorme.

For at forstærke magnesium mod kroppens stivhed længe nok til at fungere som et implantat, Sealy begyndte at eksperimentere med en teknik kaldet laser shock peening som kandidatstuderende.

"Den proces svarer til at tage en hammer og slå din bil med den, sagde han. Jeg gør det samme, bortset fra, at jeg gør det med en laser - laseren er min hammer - og jeg ramte implantatet for i det væsentlige at gøre det hårdere og stærkere."

Laserchok-peening hjalp magnesium med at modstå indledende korrosionstests så godt, at Sealy begyndte at tænke på sine afhandlingsresultater som "sø-hus-data, fordi det var så godt, at jeg ville kommercialisere teknologien og købe et søhus ud fra de resultater."

Sealy begyndte derefter at teste den langsigtede korrosion af magnesiumdele i en væske, der simulerede kroppens vandige miljø. Denne gang, resultaterne var mere nøgterne:Skruerne mistede 50 procent af deres styrke efter blot en uge og 80 procent efter to uger. Sealy indså hurtigt, at kun overfladen af ​​magnesiumdelene ikke ville være tilstrækkeligt.

"Med det, Jeg fik 'pap-hus resultater, '" indrømmede han med et grin. "Det var lidt deprimerende. Men det var en af ​​mine store motivationer for at komme til Nebraska. Jeg indså, at hvis jeg (ønskede) at kontrollere nedbrydningen af ​​disse implantater ikke kun på den ydre overflade, men hele vejen gennem enhedens levetid, Jeg var nødt til at komme et sted hen med en 3-D metalprinter, der ville give mig mulighed for at printe disse magnesiumimplantater."

Ikke en hvilken som helst 3D-printer ville gøre det. Han havde brug for adgang til den slags teknologi, der kun lige var begyndt at dukke op. Nebraska Engineering tilbød ham muligheden for at hjælpe med at lede deres køb af tre avancerede 3-D-printere.

Disse printere fjerner stort set al ilten, fugt og andre urenheder, der kunne reagere med magnesium - en ret sjælden egenskab i sig selv. Men de tillader også Nebraska-ingeniører at konstruere komponenter lag for lag, som gør Sealy og hans kolleger i stand til at inkorporere flere materialer eller bygge komplicerede interne strukturer.

Den anden store fordel? At være i stand til at anvende forskellige fremstillingsbehandlinger – inklusive laserchok-peening – på et eller flere af en dels indre lag.

"Så kan jeg kontrollere korrosion hele vejen gennem disse enheder, " sagde Sealy. "Denne tilgang er i bund og grund en måde at udskrive dine egne mekaniske egenskaber på. Det er noget, som traditionel fremstilling aldrig rigtig har kunnet gøre før.

"Det unikke ved vores printer er, at det er den første, hvor de rent faktisk kombinerede disse hybrid- og reaktive udskrivningsmuligheder. Jeg vil påstå, at dette formentlig er den mest avancerede hybrid-additive produktionsfacilitet i verden, bare fordi vores udstyr er så sjældent."

Med det niveau af tilpasning på hans kommando, Sealy eksperimenterer nu for at besvare flere spørgsmål:Hvordan påvirker peening af individuelle lag korrosionshastigheden af ​​en resulterende del? Hvad er den optimale koncentration af magnesium i forhold til andre metaller? Ændrer disse resultater sig baseret på, hvilken teknik der udskriver delene?

"Det er lidt af den sjove del:at finde ud af, hvad disse tommelfingerregler er for de forskellige printteknologier på tværs af forskellige materialesystemer, " han sagde.

Ultimativt, Sealy sagde, print-and-peen-tilgangen skulle hjælpe ham med at designe og konstruere magnesiumimplantater, der nedbrydes med forskellige hastigheder inde i kroppen. En model af kravebensplade eller knælap kan nedbrydes inden for et år, hvorimod en anden kan opløses over tre eller fem år.

"Hvis du tager mig, da jeg gik i femte klasse og brækkede min albue, Jeg regenererede hurtigt nyt knoglevæv, " sagde Sealy. "Mine knogler helede hurtigt, så jeg havde brug for et implantat, der blev nedbrudt hurtigt. Hvis nogen er en 75-årig kvinde med osteoporose, som måske har røget hele sit liv, hun regenererer ikke nyt knoglevæv så hurtigt. Hun kan have brug for et implantat, der nedbrydes langsomt. Vi kan gøre det."