| Abstract | Inženjerstvo tkiva je interdisciplinarno polje koje primjenjuje principe inženjerstva i biologije na razvoj bioloških zamjena koji vraćaju, održavaju i poboljšavaju funkcije tkiva i organa. Cilj inženjerstva tkiva nije zamjena oštećenih tkiva, već njihova regeneracija. U slučaju regeneracije kosti, potrebno je imati trodimenzionalnu i poroznu strukturu koja se naziva skela. Skela mehanički podržava proces regeneracije i olakšava stvaranje novog tkiva. Skela za inženjerstvo tkiva mora ispuniti određene zahtjeve. Osnovni zahtjev je taj da skela bude biokompatibilna, što znači da interakcija između implantata i tijela mora biti povoljna kako ne bi došlo do upale koja bi mogla usporiti ozdravljenje ili uzrokovati odbacivanje implantata. Budući da je skela privremena struktura koju će zamijeniti tkivo, ona mora biti postupno uklonjena. To znači da skela mora biti biorazgradiva kako bi omogućila tkivu da se u potpunosti obnovi. Skela također mora imati mehanička svojstva što sličnija tkivu kojeg zamjenjuje, te mora biti porozna. Dimenzije pora moraju biti nekoliko puta veće od stanica kako bi omogućile ulazak i izlazak hranjivih tvari i otpada, te one moraju biti međusobno povezane.
Biokeramika je pojam koji opisuje biomaterijale koji se proizvode sinteriranjem ili taljenjem anorganskih tvari kako bi se stvorilo amorfno ili kristalno čvrsto tijelo. Trikalcij fosfat je biokompatibilni i biorazgradivi keramički materijal koji ima kemijski sastav sličan sastavu koštanog tkiva. To ga čini idealnim materijalom za upotrebu kao koštanu skelu.
Glavno ograničenje uobičajenih metoda izrade skela je nemogućnost kontroliranja strukturalnih parametara skele. Stoga, upotreba aditivnih tehnologija može pomoći u prevladavanju tog problema. Stereolitografija je aditivna tehnologija proizvodnje koja uključuje polimerizaciju ili skrućivanje tekuće fotoosjetljive smole pomoću svjetlosti, koja opskrbljuje energiju potrebnu za izazivanje polimerizacije.
3D printanje keramike je proces koji se sastoji od 2 koraka. Prvi korak je izrada „zelenog dijela“ koristeći stereolitografiju, pri čemu skrućeni polimer služi kao vezivo koje drži keramičke čestice na okupu. Drugi korak je termička obrada koja se sastoji od uklanjanja veziva i sinteriranja, pri čemu se dobiva konačni proizvod. Tijekom termičke obrade dolazi do povećanja tlaka unutar strukture zbog izgaranja polimera. Kako bi se izbjegla oštećenja strukture zbog previsokog tlaka, potrebno je koristiti točno određenu brzinu zagrijavanja.
Na Tehničkom Sveučilištu u Beču je razvijena nova vrsta 3D printera koji se nazivaju Blueprinter. Zasnivaju se na DLP (Digital Light Processing) tehnologiji koja omogućava selektivno skrućivanje fotoosjetljive smole. Sustav koristi LED valne duljine 460 nm kao izvor svjetlosti i DMD (Digital Micromirror Device) čip kako bi projicirao slike pojedinih slojeva na ravninu gradnje. Rezolucija DMD čipa je do 1920x1200 piksela, a debljina jednog sloja može biti podešena između 15 i 75 μm.
Polazni materijal koji se koristi za stereolitografiju keramičkih materijala je koloidna suspenzija koja se naziva slurry. Sastoji se od čestica keramičkog praha koje su dispergirane u organskoj tvari. Sastojci slurrya su: monomeri, otapalo, fotoinicijator, disperzirajuće sredstvo, apsorber svjetla te keramički prah. Problem sa slurry-em je da je njegova dugotrajna stabilnost vrlo slaba, jer se javlja sedimentacija u roku od nekoliko sati. Kada je slurry nestabilan, potrebno ga je promiješati prije svake upotrebe. Dodatni nedostatak lošije stabilnosti je njegov negativan učinak na 3D printanje. Stoga, bilo je potrebno provesti optimizaciju slurry-a s ciljem poboljšanja stabilnosti. Osnovna ideja za poboljšanje stabilnosti je uvođenje voska u mješavinu umjesto otapala. Njihova uloga je jednaka pri termičkoj obradi, a razlika je u tome što je vosak na sobnoj temperaturi u krutom stanju.
U ovom radu testiran je utjecaj promjene komponenti i njihove količine na stabilnost te kvalitetu printanja slurry-a. Provedeni su testovi stabilnosti na sobnoj i povišenoj temperaturi te testovi 3D ispisa s različitim sastavima slurry-a. Variranjem monomera, disperzirajućeg sredstva i otapala, te s dodatkom voska, dobivena su različita svojstva slurry-a, te je u konačnici određen sastav kojim je postignut stabilan slurry. Osim toga, određeni su odgovarajući parametri za 3D ispis s novim slurry-em, te je povećana kvaliteta printanja. Također, određen je i prikladan postupak čišćenja „zelenog dijela“ od preostalog slurry-a nakon printanja.
Nakon što je razvijen materijal pomoću kojeg je uz korištenje aditivnih tehnologija moguće izrađivati skele, potrebno je prije same izrade i upotrebe optimizirati njihov mehanički odziv. Predviđanje njihovog ponašanja pri opterećenju je moguće postići upotrebom FEM alata. Poroznost je osnovna varijabla dizajna za koju je poznato da utječe na obnovu tkiva. U ovom radu su oblikovane dvije vrste skela kojima je varirana poroznost (55% i 80%). Promjena poroznosti je dobivena variranjem parametara skele kao što su razmak pora i veličina pora. Jedna vrsta skele je imala pravokutne pore, dok se druga sastojala od naslaganih šipki. Simulirano je tlačno opterećenje skela tako što je na gornju površinu zadan pomak u vertikalnom smjeru. Rezultati su pokazali da je raspodjela naprezanja povoljnija pri manjoj poroznosti. Također, kod skele s pravokutnim porama vidljiv je manji utjecaj poroznosti na naprezanja, ali su moguće koncentracije naprezanja u rubovima pora. Prilikom dizajniranja skele potrebno je napraviti kompromis između mehaničkog ponašanja skele i cjelokupne poroznosti kako bi se dobila odgovarajuća svojstva. |
| Abstract (english) | The aim of tissue engineering is to regenerate damaged tissues, instead of replacing them. In case of bone regeneration, it is required to have a three-dimensional and porous architecture called a scaffold, which mechanically supports the regeneration process and facilitates the formation of new tissue. Tricalcium phosphate is a biocompatible and biodegradable ceramic material with chemical composition similar to the bone tissue. This makes it the ideal material for the use as a bone scaffold. The lack of control over scaffold architectural parameters is the main limitation of the conventional fabrication methods. Therefore, additive manufacturing can help to overcome this issue. Stereolithography is an additive manufacturing technology, which involves the polymerization or solidification of a liquid photosensitive polymer through the use of an irradiation light source, which supplies the energy that is needed to induce polymerization. The starting material used for stereolithography of ceramic materials is a colloidal suspension called slurry. It consists of ceramic powder particles dispersed in organic material. The issue with the slurry is that its long time stability is very poor, as sedimentation occurs within a few hours. When the slurry is unstable, it has to be mixed every time before it is used. Another downside of poor stability is its negative effect on the printing. Therefore, optimization of the slurry was necessary. Stability and printing tests with different slurry formulations were carried out. By varying monomers, dispersing agents and solvents, and with the addition of wax, a stable slurry was achieved. Additionally, printing parameters for the new slurry have been determined and the printing quality was increased. |
