3D tisk keramických kostních náhrad s rozdílnou vnitřní stavbou

Abstract

Porézní biokeramické materiály se jeví být slibné jako dočasné kostní náhrady pro regeneraci kostní tkáně. Zatímco chemické složení ovlivňuje biokompatibilitu, vnitřní struktura je klíčová pro penetraci buněk, difuzi živin, vaskularizaci, vrůstání kosti; a zásadně ovlivňuje mechanické vlastnosti implantátu. Trojrozměrný tisk umožňuje připravit téměř libovolné struktury a nezávisle tak studovat jejich vliv. Zadáním bakalářské práce bylo prostudovat a 3D tiskem připravit keramické kostní náhrady s rozdílnou vnitřní strukturou. Práce je rozdělena do 8 kapitol. První čtyři kapitoly stručně shrnují současný stav poznání v následujících oblastech: stavba kosti, požadavky kladené na syntetické kostní náhrady, vnitřní stavba kostních náhrad a způsoby jejich přípravy s ůrazem na 3D tisk. Zbylé kapitoly tvoří experimentální část, kde byla nejdříve analyzovaná mikro/makro struktura myší kostry. Na základě naměřené velikosti pórů (50 200 m) a dle literární rešerše bylo namodelováno 16 struktur majících rozdílný tvar, zakřivení a velikost pórů. Struktury byly vytištěny pomocí stereolitografie z disperze obsahující fosforečnan vápenatý. Slinuté keramické kostní náhrady měly z hlediska tkáňového inženýrství ideální strukturu, obsahovaly jak propojené makropóry (do 500 m), tak i mikropóry (3 m). Výsledky potvrzují, že stereolitografie je vhodná, a oproti jiným technikám relativně přesná metoda, pro přípravu scaffoldů majících rozličnou vnitřní stavbu. Na strukturách vytištěných pomocí stereolitografu bude v budoucnu možné nezávisle studovat jednotlivé parametry ovlivňující chování náhrad v těle a posunout tak poznání v oblasti léčby rozsáhlých poškození kostry.

Bioceramics in the form of scaffolds hold great promise in bone tissue regeneration. While the scaffold composition is important for biocompatibility, the internal architecture plays a key role in allowing proper cell penetration, nutrient diffusion, bone ingrowth, vascularization as well as mechanical properties. A solid freeform fabrication is a promising processing technique, allowing to study structural parameters independently. This bachelor thesis is focused on ceramic bone replacements with different internal structure. The thesis is divided into 8 chapters. The first four chapters briefly summarize the current state of the art in the following fields: bone structure, requirements for synthetic bone replacements, scaffold architecture, and fabrication methods with an emphasis on 3D printing. The next chapters deal with experimental part. The image analysis of mouse skeleton was performed. On the basis of the measured pore size (50 200 m) and according to the literature search, 16 structures with various shape, curvature and pore size were designed. The CAD models were printed by a stereolithography from a tricalcium phosphate dispersion. Sintered ceramic scaffolds exhibited an ideal structure for application in bone tissue engineering. Scaffolds contained both interconnected macro- and micropores of optimal sizes up to 500 m and about 3 m, respectively. The results confirm that stereolithography is suitable, and compared to others, precise method for preparing scaffolds having different internal structures. The individual structural characteristics influencing the scaffold behaviour will be possible to study independently to each other. And thus improve the scientific knowledge in the field of treatment of large segmental bone defects.