Undersøgelse af fremskridt inden for additiv fremstilling af lovende heterostrukturer og deres biomedicinske anvendelser

Så vidt forfatterne ved, har der ikke været nogen oversigtsartikler, der opsummerer de biomedicinske anvendelser af heterostrukturer fremstillet ved additiv fremstilling. Denne artikel har til formål at fremhæve forskningsfremskridtene inden for additiv fremstilling af lovende heterostrukturer til bioimplantater.

De unikke grænseflader, robuste arkitekturer og synergistiske effekter, der er iboende i heterostrukturer, positionerer dem som en meget lovende mulighed for avancerede biomaterialer til at opfylde de strenge krav til meget variabel anatomi og komplekse funktionaliteter fra individuelle patienter. Udviklingen af ​​heterostrukturer har imidlertid stødt på forhindringer i den præcise kontrol af krystal/faseudvikling og distribution/fraktion af komponenter og strukturer.

Heldigvis giver additiv fremstilling, kendt for sin høje effektivitet, designfleksibilitet og høje dimensionelle nøjagtighed, en strategisk løsning til at regulere struktur og sammensætning på tværs af flere skalaer, hvilket rummer potentialet for at udvikle heterostruktur med hidtil usete egenskaber. Men der eksisterer et åbenlyst tomrum i den videnskabelige litteratur, da omfattende oversigtsartikler, der opsummerer de biomedicinske anvendelser af heterostrukturer via additiv fremstilling, især er fraværende.

I en nylig publikation i International Journal of Extreme Manufacturing , Prof. Cijun Shuai og Prof. Chengde Gaos team fra Central South University adresserer et kritisk hul i litteraturen ved grundigt at undersøge fremskridtene inden for additiv fremstilling af lovende heterostrukturer og deres biomedicinske anvendelser med en dybdegående analyse af deres strukturer, sammensætninger, egenskaber , fordele, processer og applikationer.

De synergistiske virkninger, der opstår fra heterostruktur ved at kombinere mekaniske og biologiske ydeevner, er også opsummeret. Denne anmeldelse giver et unikt vindue til den lovende udnyttelse af heterostruktur inden for biomedicinske områder, med særlig opmærksomhed på biostilladser, vaskulaturer, biosensorer og biodetektioner.

Heterostruktur præsenteres i form af makro/mikrostrukturel heterogenitet, krystallinsk heterogenitet eller sammensætningsmæssig heterogenitet. "Især de synergistiske præstationer af heterostrukturerede biomaterialer, især med hensyn til strukturer og sammensætninger, skyldes den smarte udvikling af specielle strukturer, der spænder over flere egenskaber," sagde Cijun Shuai, professor og den første forfatter af papiret. Disse karakteristika ved heterostruktur giver muligheder for bioimplantater med flere ydeevnefunktioner.

Heterostrukturer overvinder ikke kun de iboende begrænsninger af materialer/strukturer, men gør det også muligt at opnå de nye synergistiske præstationer ved korrekt kombination.

"Men hovedudfordringerne ved at forberede heterostruktur ligger i nøjagtighedskontrollen af ​​krystal/fase-evolutionen, såvel som fordelingen/fraktionen af ​​komponenter og strukturer af heterogene zoner. Derfor er flere og flere forsøg og opmærksomhed blevet afsat til fremskridtet af nye processer til heterostruktur, blandt hvilke additiv fremstilling har skilt sig ud på grund af den høje fleksibilitet," sagde Chengde Gao, en lektor og den tilsvarende forfatter til papiret.

Disse er hovedsageligt funktionelle mekanismer af heterostruktur.

Additiv fremstilling, der normalt omtales som 3D-print, er en "bottom-up" fremstillingstilgang og kan forberede komplekse strukturelle dele, som tidligere var uopnåelige med traditionelle fremstillingsmetoder.

"Derfor tilbyder det nye ideer og metoder til fremstilling af specifikke materialer/strukturer på grund af høj effektivitet, designfleksibilitet og høj dimensionsnøjagtighed. Disse egenskaber muliggør additiv fremstilling kapaciteten til strategisk at regulere strukturen og sammensætningen i flere skalaer, hvilket giver en meget lovende vej mod udvikling af heterostruktur med hidtil usete egenskaber," sagde Desheng Li, en Ph.D. studerende og de andre forfattere.

På trods af det betydelige potentiale i heterostrukturer som lovende løsninger til biomedicinske områder, er der stadig nogle begrænsninger, der hurtigst muligt skal overvindes. "På den ene side skal de synergistiske virkninger, der udløses af de mange funktionelle eller styrkende mekanismer i heterostrukturen, undersøges grundigt for at bestemme deres gensidige virkninger på endelige egenskaber introduceret af den mikrostrukturelle evolution og sammensætningslegering."

"På den anden side tillader zonernes heterogenitet udforskningen af ​​mange mikrostrukturelle forskelle, såsom mere bioinspireret udvikling af heterostrukturer fra naturen, mod det idealiserede mål at opgradere eller erstatte konventionelle materialer. Endelig konstruere de potentielle sammenhænge mellem sammensætning- struktur-ydeevne og afdækning af de iboende synergistiske effekter ved at kombinere eksperimentelle, teoretiske og modelleringsstudier, der kan udledes som designprincipper for heterostrukturerede biomaterialer," sagde Cijun Shuai.

Kort sagt, anvendelse af spirende additiv fremstilling af heterostruktur til infektionsforebyggelse, apotek og lægemiddellevering er et værdifuldt område for fremtidig forskning, som lover flere gennembrud og reformer på det biomedicinske område. Disse vil bringe mange fremtidige fordele for menneskeheden.

Flere oplysninger: Cijun Shuai et al., Additiv fremstilling af lovende heterostrukturer til biomedicinske applikationer, International Journal of Extreme Manufacturing (2023). DOI:10.1088/2631-7990/acded2

Leveret af International Journal of Extreme Manufacturing