Изделия для медицинской техники в целом и имплантаты в частности предъявляют самые высокие требования к точности, качеству и воспроизводимости и в то же время должны охватывать широкий спектр различных материалов. По мере развития миниатюризации и увеличения функциональной интеграции поверхности продукта и компонентов также должны выполнять специальные функции для достижения полезных с медицинской, биологической или технической точек зрения свойств
Проблема также возникает из-за возрастающей нагрузки на имплантаты из-за увеличения продолжительности жизни, стремления к мобильности в пожилом возрасте и увеличения ожирения. На продолжительность жизни имплантатов, в свою очередь, оказывает решающее влияние процесс заживления и рост тканей, предотвращение бактериальной колонизации и износостойкость.
Картинная галерея
Редактировать свойства поверхности
Ядро роста «Микролас - Поверхности, сформированные фотоникой» (см. Врезку), в котором использование ультракоротких лазерных импульсов позволяет качественный скачок в вариантах обработки различных заготовок и материалов, решает эти проблемы. Поверхности, например, металлов или керамики, а также прозрачных или термочувствительных материалов, таких как пластмассы или волокнистые композиты, могут обрабатываться эффективно и без остатков. Поверхности также могут быть специально модифицированы для достижения специальных технических или биологических свойств., В результате на свойства поверхности, такие как смачиваемость, истираемость или износостойкость, а также на диффузионные свойства, можно влиять в зависимости от местоположения, а также от взаимодействия функционализированной поверхности с клетками для улучшения поведения врастания имплантата или его антимикробных свойств.
О ядре роста "Микролас - поверхности, сформированные фотоникой"
Ядро роста (инициатива, финансируемая BMBF) "Mikrolas - Поверхности, сформированные с помощью фотоники", предназначено для объединения технологий из различных областей исследований сверхточной механической обработки и дальнейшей разработки их для промышленного производства, чтобы партнеры по ядру роста могли использовать эти технологии для своих приложений.
С помощью ультракоротких лазерных импульсов поверхности могут быть специально и точно изменены для достижения специальных технических или биологических свойств. Лазер с ультракороткими импульсами - это относительно новый процесс, с помощью которого любой материал может обрабатываться с максимальной точностью. Лазер может сверлить, резать, фрезеровать и структурировать поверхности в диапазоне микрометров. Он может сверлить отверстия тоньше человеческого волоса. Для этого лазерный луч наматывается на линзу и направляется на поверхность. Удаляемый материал быстро нагревается без плавления, поэтому он испаряется. Таким образом, лазер обрабатывает мельчайшие области в кратчайшие сроки.
Целевая оптимизация благодаря симуляции
Однако точные взаимодействия микро- и наноструктурированных поверхностей с окружающей средой имплантатов детально неизвестны. В то время как экспериментальные и аналитические методы для анализа таких поверхностных взаимодействий не могут использоваться или могут использоваться только с непропорционально высокими затратами и временем, виртуальные методы обеспечивают систематический, очень подробный и «прозрачный» подход. Технические и биологические свойства фотонно функционализированных поверхностей должны быть предсказаны и оптимизированы с помощью численного моделирования (in silico). В зависимости от приложения на этой основе разрабатываются процессы проектирования, которые позволяют целенаправленно оптимизировать структурирование поверхности.
ASD Advanced Simulation and Design GmbH из Ростока специализируется на разработке продуктов на основе моделирования и разработала соответствующие процессы для проектирования и оптимизации поверхностных модификаций для выбранных применений в области медицинских технологий в рамках своего ядра роста.
Практически к правильной микроструктуре
Эндопротезы тазобедренного сустава являются одним из приложений. В клинической практике они по-прежнему имеют относительно высокий уровень пересмотра, поэтому их часто приходится заменять преждевременно. Причинами этого могут быть высвобождение продуктов истирания с поверхностей и, следовательно, более быстрый износ из-за истирания частиц в зазоре шва. Трибологический эффект микроструктурных модификаций пары поверхностей скольжения эндопротезов суставов был исследован с помощью численного моделирования потока для такой задачи.
Моделирование показало явное влияние примененных детерминированных поверхностных структур в диапазоне размеров от 5 до 50 мкм на керамику, медицинскую нержавеющую сталь или пластмассу в отношении условий скольжения в суставном пространстве. В частности, на вязкость неньютоновской синовиальной жидкости и, следовательно, на ее несущие и смазывающие свойства, а также на локальный перенос частиц трения сильно влияют форма и размер модификации поверхности. Посредством моделирования на основе выбора подходящих микроструктур для увеличения эффекта смазки и срока службы имплантатов до проведения соответствующих реологических и трибологических испытаний время разработки и затраты могут быть значительно сокращены.
Симуляция досье
Как моделирование улучшает разработку продукта
Сделать соединения видимыми
Исследование на основе моделирования взаимодействия механических модификаций поверхности на имплантатах с окружающей тканью также позволяет прогнозировать и оптимизировать соответствующие функциональные возможности на ранней стадии проектирования. Кость - это живой материал, который может адаптироваться к изменяющимся условиям нагрузки путем изменения своей структуры. Новые методы моделирования учитывают взаимосвязь между топологией микроструктурированной поверхности и ее влиянием на поведение клеток при росте.
В случае зубных имплантатов интересно посмотреть, как микроструктурированные поверхности влияют на взаимодействие имплантат-кость. В дополнение к измененному поведению роста клеток на поверхности имплантата, модификация поверхности также может изменять напряжения или деформации в кости и имплантате. Поэтому возможно, что дополнительные пики напряжения положительно влияют на процессы ремоделирования кости. С другой стороны, определенные механические нагрузки не следует превышать, чтобы избежать необратимого повреждения костной ткани. Имитационная модель также анализирует влияние микроструктурированных поверхностей зубного имплантата на его поведение и стабильность в челюсти., Таким образом, большой потенциал лазерного структурирования для создания определенной, селективной для клеток поверхности с шероховатым дизайном, связанным с сечением, может использоваться целевым образом.
Моделирование снижает затраты на разработку
Таким образом, можно сказать, что с помощью описанного метода разработки виртуального продукта можно значительно сократить время разработки и затраты при промышленной реализации современных модификаций поверхности. В частности, в случае продукции медицинского назначения, не только возможности прогнозирования физико-технических функциональных параметров, но также и биологических взаимодействий являются очень многообещающими.
моделирование
Реально сопоставьте наименьшие объемы микрофлюидики
* ASD Advanced Simulation and Design GmbH, Росток