ТЕХНОЛОГИЯ СОЗДАНИЯ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ВНУТРИКОСТНЫХ КОНСТРУКЦИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДА ПОСЛОЙНОЙ ПЕЧАТИ МЕТАЛЛ-ПОЛИМЕРНЫМ ФИЛАМЕНТОМ

УДК 621.793

О.А. Маркелова, С.Я. Пичхидзе, А.А. Фомин

ТЕХНОЛОГИЯ СОЗДАНИЯ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ

ВНУТРИКОСТНЫХ КОНСТРУКЦИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДА ПОСЛОЙНОЙ ПЕЧАТИ МЕТАЛЛ-ПОЛИМЕРНЫМ ФИЛАМЕНТОМ

Аннотация. Предложен метод создания персонализированных конструкций с использованием новой перспективной технологии трехмерной печати, заключающейся в послойной печати металл-полимерным филаментом и последующей термообработке полученной конструкции. Приведены микрофотографии металл-полимерного филамен-та и образцов, напечатанных на eD-принтере с использованием данного материала. Установлены технологические режимы трехмерной печати металл-полимерным филаментом, такие как высота слоя, максимальная высота слоя, скорость печати, температура сопла, температура подогрева стола.

Ключевые слова: аддитивные технологии, металлонаполненный филамент, металл-полимерный филамент, SD-печать

O.A. Markelova, S.Ya. Pichkhidze, A.A. Fomin

TECHNOLOGY FOR CREATING INDIVIDUAL INTRAOSSEOUS CONSTRUCTIONS USING THE METHOD OF LAYERED METAL-POLYMER FILAMENT PRINTING

Abstract. A method for creating personalized structures using a novel and promising technology of 3D-printing, which integrates a layered metal-polymer filament printing and subsequent heat treatment of the resulting structure, is proposed. Microphotographs of the metal-polymer filament and 3D-printer samples using the given material are presented. Technological modes of metal-polymer filament 3D-printing, such as layer height, maximum layer height, printing speed, nozzle temperature, and table heating temperature, have been established.

Keywords: additive technologies, metal-filled filament, metal-polymer, 3D-printing

Введение

Несмотря на то, что приживаемость имплантатов составляет 95-97 %, остается риск отторжения вследствие преимплантантной инфекции или биологических факторов, нарушающих остеогенез, например остеопороза. Перспективным является придание имплантируемым внутрикостным конструкциям формы, приближенной к анатомической, что позволит учитывать особенности конкретного пациента, а в некоторых случаях такая форма является необходимой при имплантации, например при сложном протезировании.

Известны несколько методик создания персонализированных конструкций для инженерии костной ткани (рис. 1). Традиционная технология заключается в получении заданной формы с использованием известных технологических процессов, таких как литье, штамповка, механическая обработка и т. д. [1-4]. Данная методика позволяет массово получать конструкции, обладающие унифицированными размерами. Для создания индивидуальных конструкций необходима разработка каждый раз новой оснастки и инструмента, что является дорогостоящим и нетехнологичным.

Передовым методом изготовления индивидуальных имплантируемых изделий медицинского назначения является применение технологий 3D-моделирования в совокупности с методами аддитивного производства [5-10].

Методика получения изделий во многом зависит от используемой технологии трехмерной печати. Существующие методы и технологии печати можно классифицировать в зависимости от используемых материалов и способов воздействия на них [11]. Наиболее распространенными методами формирования объемных конструкций сложной геометрии с высокой точностью являются: стереолитография (SLA-метод, основанный на фотополимеризации слоев), селективное лазерное сплавление (SLM), селективное лазерное спекание (SLS), сплавление электронным лучом (EBM), экструзия материалов (ME) [12]. Несмотря на эффективность данных методов, они являются дорогостоящими и сложными в реализации; кроме того, в изделии возникают сложные термомеханические напряжения, которые влияют на механические свойства готового изделия [13]. В связи с этим интерес представляет разработка технологии трехмерной печати металлами, которую можно реализовать, применяя недорогое технологическое оборудование, в частности распространенные 3 О-принтеры, использующие технологию послойного плавления пластика.

Известно, что определенное значение плотности ткани или органа человека соответствует различным цветам на томограмме. Следовательно, выбрав интервал плотности, можно выделить требуемую ткань или орган человека. Основываясь на полученных данных и применяя метод 3D-моделирования, можно создавать максимально приближенный к форме дефекта объект, т. е. индивидуальное медицинское изделие. Полученные ком-

пьютерные модели загружаются в системы конечноэлементного анализа, где проводятся численные эксперименты. Таким образом, построение индивидуализированной модели позволяет не только проанализировать ее геометрические особенности, но и исследовать напряженно-деформированное состояние созданной системы и дать прогноз поведения составляющих ее структур при воздействии нагрузок.

Рис. 1. Сравнение типов производства

Для создания персонализированных конструкций предлагается использовать новую перспективную технологию трехмерной печати, основанную на методе FDM и заключающуюся в послойной печати металлонаполненным (металл-полимерным) фила-ментом и последующей термообработке полученной конструкции. Предложенная технология обладает актуальностью в области разработки новых материалов и аддитивных технологий за счет возможности регулирования пористости и прочности полученных конструкций и возможностью дальнейшей модификации газотермическими и электрохимическими методами для создания композитных наноструктурированных биоактивных покрытий.

Разработанная технология включает следующие основные этапы (рис. 2):

1. Подготовка порошка для получения металлонаполненного филамента. Смешение металлического порошка (70 %), связующего полимера (25 %) и специальных добавок (5 %).

2. Смешение в шаровой мельнице порошков.

3. Экструзия филамента с параллельным нагревом гранул.

4. Трехмерная печать металлонаполненным филаментом при следующих технологических режимах: высота слоя - 0,5 ± 0,5 мм, максимальная высота слоя - 0,8 ± 0,5 мм, скорость печати - 10 ± 1 мм/мин, температура сопла - 230 ± 5° С, температура подогрева стола - 70 ± 5° С.

5. Удаление связующего вещества путем нагрева изделия и выдержкой в течение определенного времени.

6. Спекание изделия в вакуумной печи.

Рис. 2. Технология получения трехмерных конструкций методом послойной печати металлонаполненным филаментом

Филаменты (рис. 3) на основе порошка стали и алюминия со смесью с полимером РУЛ были получены по оригинальным методикам. Исследование структуры фи-ламента показало, что он состоит из длинных нитей полимера с включением частиц металла размером до 40 мкм. Анализ поверхности образцов, напечатанных с исполь-

зованием 3В-принтера для послойной печати, показывает, что при печати филаментом с алюминием удается создать ровные слои без дефектов в отличие от печати филаментом с частицами стали. В слоях сформированных образцов имеются частицы металла размером 20-40 мкм, связанные расплавленным и затвердевшим полимером. Металлические частицы распределены равномерно по всей поверхности и занимают 50-60 % объема образца.

Рис. 3. Филаменты на основе порошка стали (а) и алюминия (б) и напечатанные образцы на их основе

После термической обработки образцы имеют усадку порядка 20-30 %, что является значительным и влияет на форму готового изделия. При этом на этапе предварительного удаления связующего вещества, осуществляется медленный нагрев изделия в течение 6-8 ч, за счет чего удается добиться равномерной усадки готового изделия.

С помощью технологии плазменного напыления на полученных изделиях можно формировать слоистые пористые наноструктурированные покрытия, обладающие заданными характеристиками. За счет представленной методики и применения нескольких технологий удастся максимально воссоздавать объекты по размерам, форме и структуре соответствующие утраченным органам и тканям.

Заключение

Разработана аддитивная технология трехмерной печати имплантационных конструкций с использованием нового типа материала - металлонаполненного (металл-полимерного) филамента. Дальнейшее развитие технологии заключается в разработке методик термической обработки внутрикостных индивидуальных констру к-ций для различных металлов, входящих в состав филаментов. Актуальной является модификация поверхности полученных конструкций с использованием электрофизических и электрохимических методов. Разработанная технология послойной печати может также использоваться для изделий приборо - и машиностроения.

Исследование выполнено при финансовой поддержке стипендии Президента РФ для молодых ученых и аспирантов СП-50.2022.4.

Список источников

1. Дентальная имплантология: учеб. пособие / Ф.З. Мирсаева, М.Б. Убайдул-лаев, А.Б. Вяткина, С.Ш. Фаткуллина; под ред. проф. Ф.З. Мирсаевой. Уфа: Изд-во ГБОУ ВПО БГМУ Минздрава России, 2015. 124 с.

2. Иванов А.С. Основы дентальной имплантологии: учеб. пособие. 2-е изд., стер. Санкт-Петербург: СпецЛит, 2013. 63 с.

3. Конструирование, производство и применение внутрикостных стоматологических имплантатов: учеб. пособие для студентов специальности 190500. Ч. 2 / В.Н. Бекренев, Н.В. Протасова, И.В. Родионов, А.В. Лясникова. Саратов, 2003. 93 с.

4. Фандеев В.П., Базыкина К.С. Проблема конструирования протезов межпозвонковых дисков // Вестник Пензенского государственного университета. 2014. № 2 (6). С. 90-98.

5. Производство новых внутрикостных остеоинтегрируемых имплантатов методом аддитивных технологий / В.П. Кузнецов, В.Г. Горгоц, А.В. Аникеев,

A.А. Еманов // Вестник Курганского государственного университета. 2017. № 2 (45). С. 120-125.

6. Проблемы и перспективы применения аддитивных технологий при изготовлении кастомизированных имплантатов для травматологии и ортопедии / А.В. Губин,

B.П. Кузнецов, Д.Ю. Борзунов, А.А. Корюков, А.В. Резник, А.Ю. Чевардин // Медицинская техника. 2016. № 4 (298). С. 52-55.

7. Зленко М.А., Попович А.А., Мутылина И.Н. Аддитивные технологии в машиностроении. Санкт-Петербург: Издательство Политехнического университета, 2013.

C. 87-96.

8. Машинные дизайн-технологии быстрого прототипирования / И.Б. Челпанов, С.О. Никифоров, Т.В. Кочева, Б.С. Никифоров // Вестник Бурятского государственного университета. Математика, информатика. 2010. № 9. С. 283-289.

9. Литунов С.Н., Слободенюк В.С., Мельников Д.В. Обзор и анализ аддитивных технологий. Ч. 1 // Омский научный вестник. 2016. № 1 (145). C. 12-17.

10. Обзор и анализ аддитивных технологий. Ч. 2 / С.Н. Литунов, В.С., Слободенюк, Д.В. Мельников, В.В. Федянин, Н.С. Кощеева // Омский научный вестник. 2016. № 5 (149). С. 20-24.

11. Абрамов А.А., Цыганков П.Ю., Меньшутина Н.В. Изучение методов и технологий трехмерной печати для получения высокопористых материалов // Успехи в химии и химической технологии. 2020. Т. 34. № 6 (229). С. 85-87.

12. Qu H. Additive manufacturing for bone tissue engineering scaffolds // Materials Today Communications. 2020. Vol. 24. P. 101024.

13. 3D-printing metals like thermoplastics: Fused filament fabrication of metallic glasses / M.A. Gibson, N.M. Mykulowycz, J. Shim, R. Fontana, P. Schmitt, A. Roberts, J. Ketkaew, L. Shao, W. Chen, P. Bordeenithikasem, J.S. Myerberg, R. Fulop, M.D. Verminski, E.M. Sachs, Y. Chiang, C.A. Schuh, A.J. Hart, J. Schroers // Materials Today, 2018. Vol. 21, Iss. 7. P. 697-702.

Сведения об авторах

Маркелова Ольга Анатольевна -

кандидат технических наук, доцент кафедры «Материаловедение и биомедицинская инженерия» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Olga A. Markelova -

Ph.D (Technical Sciences), Associate Professor, Department of Materials Science and Biomedical Engineering, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Пичхидзе Сергей Яковлевич -

доктор технических наук, старший научный сотрудник, профессор кафедры «Материаловедение и биомедицинская инженерия» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю. А.

Sergey Ya. Pichkhidze -

Dr.Sci. Tech., Senior Research Fellow, Professor, Department of Materials Science and Biomedical Engineering, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Фомин Александр Александрович -

доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Материаловедение и биомедицинская инженерия» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Aleksander A. Fomin -

Dr.Sci. Tech., Associate Professor, Head: Department of Materials Science and Biomedical Engineering, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Статья поступила в редакцию 25.01.2023, принята к опубликованию 06.03.2023