Biomaterials

公園と湖によって非常に一般的ではあるが一貫した定義によって生体材料の研究を区切ることは可能です。 それらによれば、生体材料は、安全で信頼性が高く、経済的で生理学的に許容される方法で身体の一部または機能を置き換えるための装置の製造に

構造を交換、拡大、または支持する機能を十分に果たすためには、インプラントは組織の特性を模倣または一致させる必要があります。 文献はインプラントで使用される異なったタイプの骨の接木の存在を報告する:自家(同じ個人から得られる);相同(受信機の同じ種の個人から);および異種(提供者および受け手の種が同じでないとき–牛、例えば)。

自己移植片には、例えば、特定の欠点があります: 患者のボディの健康な区域の介在;提供区域の罹患率、より高い回復期間;伝染への感受性;そして進歩的で、一定した再吸収。 このように、セラミックやポリマーなどの合成生体材料におけるインプラントは広く開発され、適用されている。 Pereira、Buono、Zavagliaによると、バイオマテリアルの需要は毎年5％から15％に増加しています。

生体材料の分類

バースとサントスによると、生体材料は、彼らが周囲の組織との互換性に応じて、四つのクラスに分類することができます。

Biotolerant：インターフェイス上の軟部組織の層によって周囲の骨から分離されたインプラント。 骨形成には接触しない。 この層は、モノマー、イオン、および／または腐食生成物のインプラント放出によって誘導される。 ほとんどすべての合成ポリマーとほとんどの金属がこのカテゴリです。P>

Bioinert: インプラントは骨組織と直接接触し、骨形成に関与する。 しかし、組織とインプラントとの間に化学反応はない。 少なくとも細胞によって検出可能な量では、任意の成分の放出はない。 Bioinert生体材料の例は次のとおりである:アルミナ、ジルコニア、チタニウム、タンタル、ニオブおよびカーボン。

生物活性：インプラントと骨組織との間に相互作用があり、骨形成に直接干渉する。 化学的類似性によって、骨組織のミネラル部分はインプラントに結合し、骨伝導を促進する。 このクラスの主要な材料は次のとおりである:カリフォルニア隣酸塩、vitro陶磁器およびhydroxyapatite。

生体吸収性：組織と接触した一定期間の後、身体によって分解、可溶化、または食作用されることによって終わる材料。 それらはインプラントを取除くためにadvisable再手術の臨床応用の興味である。 このクラスの代表は、リン酸三カルシウム（TCP）およびPLLA（ポリ-L-乳酸）である。

金属生体材料

時には、赤血球中の鉄（Fe）、ビタミンB12の合成中のコバルト（Co）、大動脈に存在するエラスチンの架橋など、天然の形態および少量の金属元素が体内で許容されることがある。 しかし、大量には、ほとんどの金属は身体に許容されません。

いくつかの金属は、その優れた機械的特性と耐食性のために、例えば、総股関節および膝関節置換、骨折の固定のためのプレートおよびねじ、列固定装置、および歯科インプラントにおいて、硬組織の代用品として使用される。 Barbucciによると、整形外科用補綴物、骨接合装置、および歯科インプラントの建設に使用される金属材料は、以下の特性を有するべきである：

• 800MPa以上の耐;
• 生体適合性。

生体適合性は効果やユニークな現象ではありません。 これは、異なる相互作用メカニズムを含むが、材料および組織に関する相互依存する一連のプロセスを指す。 これは、生物学的系に毒性または有害な影響を及ぼすことなく、体内で特定の機能を果たす材料の能力である。

これらの特性は非常に制限的であり、少数の金属材料のクラスのみが正常に使用できます。

人体での使用のために特別に開発された最初の合金は、骨折のためのプレートとネジの製造に使用される”バナジウム鋼”でした。 金属生体材料の中で、タイプ316LVMのオーステナイトのステンレス鋼、合金Co Cr Mo、Co Ni Cr Mo、純粋なチタニウムおよびTi6al4Vは最も広く利用されています。 いくつかの例を図1に示します。

図1：医療アプリケーションの金属デバイス：A）大腿骨頭;b）優れた関節膝; c）下顎関節プレート。

この作業では、より具体的には、医療分野におけるDMLSラピッドプロトタイピングにおけるアプリケーションがより表現力豊かであるCoとTi

コバルト合金

コバルト合金は、もともと70年以上前に外科用インプラントのために提案されました。 医療用途のためのCo合金には基本的に2種類があります。 コーティングのための合金Co-Cr-Moおよび働かせた合金Co-Ni-Cr-Mo。 テストおよび材料（ASTM）のためのアメリカの社会は外科インプラントの使用のために推薦される4つのCoの合金をリストします:コーティングの合金Co Cr Mo（F75）および働かせた合金Co Cr W Ni（F90）、Co Ni Cr Mo（F562）、およびCo Cr Mo（F1537）。

これらの合金は、生理学的環境での腐食に対して非常に耐性のある材料のクラスであり、ステンレス鋼を凌駕し、着用します。 さらに、優秀な抵抗の限界および疲労の抵抗はひびまたは圧力/疲労の発生なしで長い耐用年数が要求される適用を可能にする。 多くの特性は、コバルトの結晶学的性質、CrおよびMoのブースター効果、および高硬度の炭化物形成に由来する。

このような特殊な特性は、特に関節表面を交換することを目的としたもので、様々な医療用途でこれらの合金の使用につながっています。 耐摩耗性、腐食性、および低摩擦係数のそれらの特性は、この選択において決定的である。

アプリケーションの例は、人工股関節全置換術（THA）です。 より新しいシステムはacetabular部品との調整に応じてモジュラー頭部に付す大腿部の棒で成っている。 このシステムは、接触面を参照してMoM（metal on metal）として知られており、mop（metal on polyethylene）システムよりも優れており、これまでに報告されているように、摩耗の体積率 図2は、THAのMOPおよびMoMシステムの例を示しています。

図2：左：MoP;右：MoM。

この作業が直接関連するCo合金の適用のもう一つの例は、顎関節の全再建である。 クリステンセンプロテーゼとして知られているこのタイプのプロテーゼは、30年以上にわたって使用されており、安定した信頼性の高い予測可能な再構 図3は、顎関節補綴物を示しています。

図3：顎補綴。

チタン合金

英国の鉱物学者ウィリアム–グレゴールによって1791年に発見されたチタン–そして最近ではその合金-は、骨折の固定や関節再建: 耐久性、biocompatibility、bioadhesion（骨の成長の誘導）、弾性係数（人間の骨に近い方の–10-30GPa-、よりよいの）、疲労の抵抗およびよいprocessability。

チタンは、ベータ相として知られている体心立方（bcc）構造の881º Cで同素体変化を受ける可能性があるα相に関連する六角形の閉充填（hcp）構造を 結合剤の添加および熱機械的プロセスによるこれらの結晶学的特性の操作は、様々な特性を有する合金の得ることを可能にする。 生体材料として最初に導入されたチタンクラスは、ASTM F67（グレード1、2、3、および4の市販純チタン）、ASTM F136（合金Ti-6Al-4V超低間質）、およびASTM F1472（合金Ti-6Al これらの材料では、いくつかの合金元素はα相を安定化させ、他の合金元素はβ相を安定化させる。 アルファ相はアルミニウム、スズ、ジルコニウムを含むことによって安定化することができ、ベータ相はバナジウム、モリブデン、ニオブ、クロム、鉄、マンガンで安定化することができる。 従って、合金ＡＳＴＭ Ｆ１ ３ ６は、安定化α／β合金の一例であることに留意されたい。

チタンおよびその合金で観察される耐摩耗性の一部は、主に金属の表面に付着し、それを保護するTio2からなる受動酸化物層の形成によ この層は、酢酸電解質中での陽極酸化によって得られてもよく、かつ、インプラントに隣接する組織中のチタンの存在が評価された場合、表面陽極酸化

顔の構造における重度の外傷は、多数のプレートとネジを必要とし、チタンインプラントは、このレビューで引用された特性のために特に適 医者が患者の解剖学にシステムを合わせることができるようにさまざまな構成にcranio maxillofacial地域のための版そしてねじがある。 図4は、頭蓋顎顔面骨折の固定におけるチタンの適用例である。

図4：頭蓋顎顔面骨折の固定のためのプレート。

材料の汎用性を実証する別のアプリケーションは、インプラント（図5）が大きな骨折のために示され、大きな機械的応力（脛骨）を受けている脛骨

図5:Tiの脛骨髄内シャフト。

セラミック生体材料

生物医学用途のためのセラミック材料の開発は、主に整形外科と歯科の分野に焦点を当てています。 これは、生体材料のいくつかの特徴を含む材料のクラスである。 それにティッシュの成長のための生物不活性、bioresorbable、bioactive、および多孔性のクラスの代表があります。

生体材料としてのセラミックスの可能性は、生理学的環境（カルシウム、カリウム、マグネシウム、ナトリウムなど）にも見られるイオンの基本的な構成のために、生理学的環境との類似性から来ている。）および毒性が非常に限られている他（ジルコニウムおよびチタニウム）。バイオ不活性セラミックスは、アルミナ（Al2O3）、ジルコニア（Zro2）、酸化イットリウム（Zro2（Y2O3））で安定化されたジルコニアの化合物でより代表的です。

周囲のティッシュ、耐食性、高い耐久性および高い機械抵抗と反応しない機能は負荷および摩擦に服従する連結の表面として使用の本質的な特

生物活性および生物吸収性セラミックスの中心には、ヒドロキシアパタイト（HA）、リン酸カルシウム、特にβ-リン酸三カルシウム（β-TCP）などの化合物、他の中で。) .

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カスタマイズ可能なプロテーゼ

ラピッドプロトタイピングによる頭蓋顎顔面再建

ラピッドプロトタイピングは、加法法によ CADシステムで作成された3Dモデルは、2Dプロファイルに分割され、ラピッドプロトタイピング装置によって層ごとに構築されます。 いくつかの技術は、次のような、今日利用可能です：光造形（SLA）、直接金属レーザー焼結（DMLS）、レーザー表面溶融（LSM）、溶融蒸着モデリング（FDM）、3D印刷（3DP）と電子ビーム溶接（EBW）。

DMLS技術の使用の最初の十年では、1994年から2004年にかけて、少なくとも商用アプリケーションでは、DMLSプロセス用に特別に開発された材料によっ この頃は、合金の広い範囲はチタニウムの軽合金のようなDMLSで使用のために利用できます。 医療分野で特に関心のあるのは、Ti-6al-4V–チタン、アルミニウム、バナジウム、およびTicp–商業的に純粋なチタンです。 両方とも優秀な機械特性、耐食性、低い比重量と特にbiocompatibilityによって特徴付けられます。

伝統的に、ラピッドプロトタイピング（RP）は、コストの利益をもたらす、短時間で信頼性の高いプロトタイプを生成するための手段とし 最近、RPは工学プロダクトを越えて適用を拡張しました。 注文のインプラントおよび語頭音添加の製造業への医学分野のその使用、解剖学の調査、および外科計画は重要な研究分野を含んでいる。 医療分野の魅力は、症例が決して等しくないこと、つまりインプラントの生産における標準化が有利ではないこと、手術領域の不明瞭な点に関する問先天性欠損の中で、頭蓋顔面異常（CFA）は、世界のかなりの割合の人々に影響を与える非常に多様で複雑なグループです。

先天性欠損の中で、頭蓋顔面異常（CFA）

先天性奇形の症例に加えて、他の障害–腫瘍などのために獲得された頭蓋顔面欠損がある。 過去四十年では、顔の外傷の症例の増加も観察されており、これは自動車事故や都市部の暴力の増加と密接に関連している。

すべての場合において、頭蓋顎顔面リハビリテーションは、患者の社会への再統合と幸福の促進のプロセスの一部である。

頭蓋骨と顔の再構成におけるラピッドプロトタイピング

頭蓋欠損の修復のためのインプラントを製造する従来の手段は、手術中 印刷はワックスで行われ、続いて生体材料型の製造に使用される。 1980年代の終わりに、デジタル三次元モデルから直接物理モデルを生成する方法を見つけようとした最初の研究の結果が現れました。

ラピッドプロトタイピングは、CADモデルから複雑なジオメトリを生成することができ、層ごとに製造方法の層です。

医療アプリケーションでの使用は、医療スタッフがそれぞれの特定のケースの重要な評価を持つことを可能にする術前解剖学的モデルの構 それはまた、頭蓋骨と顔の欠陥の再建のためのインプラントのカスタマイズされた製造におけるその使用に大きな重点を受けています,,,,.

カスタマイズされたインプラントの構築では、患者データの入力が必要です。 データは、CTまたはNMRIからDICOM形式の2D横方向スライスで取得され、その厚さは画像を取得するときに機器で決定されます。 スライスの数は、画像の解像度、したがって3Dモデルを決定するものです。 2Dスライスは、補間後に骨構造の3D表現を得るために閾値信号を調整することが可能である医療モデリングソフトウェアに転送される。

モデルの取得後、骨欠損を修復するインプラントのモデリングのためのCADソフトウェアで処理することができます。

パターン化されたソリッドは、STL形式に変換され、任意のラピッドプロトタイピング技術によってプロトタイプ化することができます。

最近のアプリケーション、材料、およびケースレポート

頭蓋顎顔面修復領域では、3Dモデリング技術とラピッドプロトタイピング

Bertol et al. 腫瘍の影響を受けた顎の一部の仮想切除手順のための3D仮想モデルを取得する際の断層撮影画像の使用と、顎の健康な部分が鏡視され、除去された領域の再構成に使用される対称面によるミラーリングの技術によって影響を受けた領域を置き換えるためのその後のインプラント設計を報告した。

図7：3Dモデルとインプラントの取得プロセス（左）。 DMLSによって構築されたインプラント（右）。

インプラントは、直接金属レーザー焼結（DMLS）の技術を使用してチタン（Ti-6al-4V）で構築されました。 このプロセスでは、粉にされた金属は部品の設計に従ってコンピュータによって指示される高エネルギーのレーザ光線によって提供されるローカル溶ける

インプラントの製造後、仮想モデルとの寸法比較のために3Dスキャン技術によってスキャンされました。 差は0.05mm以下であり、この方法の精度を示しています。

Drstvensekらはまた、医療分野におけるラピッドプロトタイピングの大きな可能性を実証する成功例を報告しました。 報告された症例では，重度の顔面非対称性（半顔面ミクロソミア）を治療した。 使用された方法論は、Ｂｅｒｔｏｌらによって使用された方法論と類似していた。 3DモデルはCTのイメージから得られ、インプラントは影響を受けない部分を反映することによって事実上の環境で開発された。

図8：構築される領域の仮想モデル（左）;DMLSによって製造されたインプラント。

Drstvensekらによって報告された別のケースでは、頭蓋骨インプラントの製造および寸法制御のための後方3Dスキャンにおいて同じ技術を使用した。 仮想モデルと比較して、インプラントは、いくつかの地域で0.8-1.0mmの変化を示した。 著者によると、問題の領域が重要な部分に位置していないという事実のために、インプラントは承認され、成功裏に実施された。 両方のケースで使用されたプロトタイピング技術はDMLSで、材料はTi-6al-4Vでした。

図9: DMLSによって製造された語頭音添加（左で）。 仮想幾何学的検査の結果（右側）。

最近、いくつかの研究は、インプラントの製造におけるプロパティ協会に焦点を当てています。 これは、例えば、機械的耐性およびチタン腐食と、Ｈ Ａおよびα−ＴＣＰのようなセラミックスの生物活性との組み合わせにおいて起こる。

NingとZhouは、粉末冶金法によってHAとTi粉末から製造されたバイオコンポジットのin vitroおよびin vivoでの生物活性を評価しました。 HA/Tiの様々な割合の混合物を混合し、1200℃で合成した結果は、最高のTi含有量を有する複合材料は、骨の成長を提供し、骨置換のための金属/セラミックバイオコンポジットの候補を作る彼らの表面にアパタイトの核形成と成長を誘導する能力を持っていることを示しています。

Kimらは、ゾル-ゲル技術を用いてチタン基板中に厚さ-5μ mのHAおよびFHA（ヒドロキシアパタイト-フルオロ）の緻密で均一な膜を堆積させた。 基質は骨芽細胞の良好な成長と増殖を示し，基質の活性と機能を増加させた。

同じ作業ラインに沿って、BertolはTiとα-TCPの関連付けを持つ二つのケースを報告しました。 カスタマイズされたインプラントは断層画像（眼窩床）から得られた患者の物理モデルに手動成形によって得られたが、他方は断層画像（下顎）から得られた仮想設計に従って機械加工された。 いずれの場合も、インプラントはα-ＴＣＰでコーティングされ、成功した実装された。

図10：

チタンだけでなく、Co合金は、その特性のいくつかを改善するためにセラミックス複合材料を使用してきました。 Yenらは、zro2と合金Co-Cr-Moのhipプロテシスへの電解コーティングを報告しています。 この場合、コーティングの適用は、ポリマー成分に対する金属成分の摩耗を減少させ、表面間の摩擦係数を減少させた。

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