Symposium Rapid Manufacturing Verwerking van biomaterialen voor medische toepassingen
31 oktober 2006
RM en medische technologie
TNO TNODutch Dutchorganisation organisationfor for TNO appliedscientific scientificresearch research applied 5000employees employees 5000 corearea’s area’s 55core
TNOScience Scienceand andIndustry Industry TNO 1000employees employees 1000 BusinessUnits Units 88Business
Precision Precision Manufacturing Manufacturing
Rapid Rapid manufacturing manufacturing
TNODesign Designand andManufacturing Manufacturing TNO 110employees employees 110 researchareas areas 33research
2
RM en medische technologie
Sporthealth health Sport andsafety safety and
8 augustus 2006
Rapid Manufacturing Layered Manufacturing: • Production of parts by adding material layer by layer • Directly from CAD model
3D CAD file STL file
• General use is Rapid Prototyping
Rapid Manufacturing: • Building end-use parts using LMT technology
Slice file
• Alternative for milling, injection moulding, casting etc.
LMT 3
RM en medische technologie
8 augustus 2006
Rapid Manufacturing
Toepassingsgebieden
Medisch
4
RM en medische technologie
Sport
Industrie
Kunst & Design
8 augustus 2006
Medische toepassingen van Rapid Manufacturing Ortheses
Hoortoestellen (Phonak)
Dentale elementen (Centradent)
Implantaten (AZM)
Tissue engineering
5
RM en medische technologie
8 augustus 2006
Orthopedische implantaten • Materialen: CoCr, Ti6Al4V • Huidige productiemethode: Frezen • Betrouwbaar • Veel gebruikt • Tijdrovend • Beperkingen in vormgeving • Alternatief: rapid manufacturing
6
RM en medische technologie
8 augustus 2006
Orthopedische implantaten Beschikbare productiemethoden:
Arcam • EBM (Arcam) • SLM (MCP Heck) Toepassingen: • Schedeldakreconstructies • Orthopedische implantaten • Complexe structuren
MCP HEK 7
RM en medische technologie
8 augustus 2006
Tissue engineering Tissue engineering is de regeneratie van biologisch weefsel gebruik makend van cellen en met hulp van ondersteunende structuren (zoals (degradeerbare) matrices of stellagematerialen (“scaffolds”)) en/of biomoleculen (bijvoorbeeld groeifactoren) (Europese Commissie, 2001).
(University of Texas Austin)
8
RM en medische technologie
8 augustus 2006
Tissue engineering scaffolds
9
RM en medische technologie
8 augustus 2006
Tissue engineering scaffolds • Poreuze dragerstructuur voor het kweken van cellen en weefsel • Materiaal • Interne architectuur • Externe geometrie • Mechanische eigenschappen
10
RM en medische technologie
8 augustus 2006
Realiseren externe geometrie • Patient scan data from CT/MRI • Realization of CAD data • 3D printing of scaffold • Implantation • Regeneration
11
RM en medische technologie
8 augustus 2006
Verwerken polymeren Aandrijfwielen
Fused deposition modeling • • • •
Op basis van microextrusie PCL, PLLA, PEG-PBT Direct een poreuze structuur Functionaliseren van het polymeer
Opvoerkanaal Duwstang Heater Plunjer Materiaal pellet Extrusienozzle
12
RM en medische technologie
8 augustus 2006
Verwerken polymeren
13
Selective laser sinteren
Stereolithografie
• Vrijheid in geometrie • Micro porositeit
• Vrijheid in geometrie • Geen temperatuurverhoging
• Verwijderen poeder • Temperatuur
• Cross linkers en oplosmiddelen
RM en medische technologie
8 augustus 2006
Verwerken biokeramiek Extruderen van pasta’s • • • •
Hydroxy apatite poeder (Merck) PVA binder Raster geometrie Scaffolds met constante kwaliteit voor onderzoeksdoeleinden
Alternatieven • SLM (hoge temperatuur) • SLA/optoform (crosslinkers)
14
RM en medische technologie
8 augustus 2006
Hybride materialen • HA filled biopolymer paste • Extruded into a solution • Synthesis of scaffold after extrusion • Application: bioactive scaffolds for bone reconstruction
15
RM en medische technologie
8 augustus 2006
Eisen die aan scaffolds gesteld worden Poriën
Macro Geometrie
Variatie in materialen
Variatie in porositeit 16
RM en medische technologie
8 augustus 2006
Gradiënten in structuur en samenstelling • Materialen in de natuur vertonen gradiënten in zowel porositeit als samenstelling • Huidige CAD pakketten zijn ongeschikt voor het maken van gradiënten in het materiaal
Bamboo
• Nieuwe methode voor het definiëren van gradiënten noodzakelijk
17
RM en medische technologie
8 augustus 2006
Gradiënt in eigenschappen Innerspace / 3D porous structures • Software voor het definiëren van gradiënten in eigenschappen zoals materiaal en porositeit
Red
• Input is simpele 3D geometrie (STL file) • Output is bit map Blue
18
RM en medische technologie
8 augustus 2006
?
Red
Blue
Function 1: Red to Blue : Linear 100 %
100 %
75% red 25% blue
% of material 0%
Location of Red 19
RM en medische technologie
0%
Location of Blue 8 augustus 2006
Gradiënt in eigenschappen Innerspace / 3D porous structures • Software voor het definiëren van gradiënten in eigenschappen zoals materiaal en porositeit • Input is simpele 3D geometrie (STL file) • Output is bit map • Meerdere eigenschappen door elkaar te variëren
20
RM en medische technologie
8 augustus 2006
Gradiënten in structuur Vertalen van gradiënt naar 3D interne structuur • Input is 3D STL file • Aangeven gradiënt: 100% dicht aan binnenzijde, 80% poreus aan buitenzijde • Genereren gradiënt • Vertalen gradiënt naar 3D structuur
21
RM en medische technologie
8 augustus 2006
Gradiënt in samenstelling • Gradiënt in samenstelling noodzakelijk voor volgende generatie scaffolds • Lokaal aanbrengen van groeifactoren, cellen, medicijnen etc voor locale differentiatie t.b.v. bijvoorbeeld angiogenese
New Scientist 22
RM en medische technologie
8 augustus 2006
Multi Material Manufacturing van Biomaterialen
23
RM en medische technologie
8 augustus 2006
Multi Material Manufacturing van Biomaterialen Poederbed printen • Printen van binder op een poederbed • Toegepast voor CaP’s • Kleuren inkjet kop gebruiken voor lokaal toevoegen materialen • Fibrine • Collageen • Hyaluon zuur • bmp
24
RM en medische technologie
8 augustus 2006
Multi Material Manufacturing van Biomaterialen Multi material microextrusie • Meerdere materialen parallel aan elkaar verwerken • Lokaal aanbrengen (stam) cellen • Direct plotten in fysiologische vloeistof • Drexel University • 4K FDM (TNO)
25
RM en medische technologie
8 augustus 2006
TNO Digital (CAD-CAM) Inkjet Technology
Dropletgenerator
Droplet Control unit
Reservoir
Substraat
Unique: • printing of high viscous materials (450 mPa·s) temperature up to 350 ºC • Multi material set-up with 3 print heads 26
RM en medische technologie
8 augustus 2006
Challenges Combine scaffolds requirements with processing possibilities
• • • • 27
Mechanical properties Biocompatibility resorbtie …
RM en medische technologie
• • • •
Viscosity Surface tension Curing time … 8 augustus 2006
Cargeny mellon
[email protected] 28
RM en medische technologie
8 augustus 2006
