Praktiliselt Optimeerige Mikrovedelike Parimaid Struktuure

2023 Autor: Hannah Pearcy | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2023-08-25 03:37

Meditsiinitehnoloogia toodete ja eriti implantaatide suhtes kehtivad kõrgeimad täpsuse, kvaliteedi ja reprodutseeritavuse nõuded ning samal ajal peavad need hõlmama suurt hulka erinevaid materjale. Nagu miniaturiseerimisest edenedes ja funktsionaalse integratsiooni suureneb, toote- ja komponendi pinnad ka võtma erifunktsioonid saavutamiseks meditsiiniliselt, bioloogiliselt või tehniliselt soodsad omadused

Väljakutse seisneb ka implantaatidele suurenevas stressis, mis on tingitud eluea pikenemisest, liikuvuse soovist vanemas eas ja suurenevast rasvumisest. Eluiga implantaadid omakorda on otsustavalt mõjutanud paranemise protsessi ja kasvamist koe vältimist kolonisatsiooni bakteritega ja kulumist käitumist.

Pildigalerii

Pinna omaduste muutmine

Neid probleeme lahendab kasvukasum "Mikrolas - footonikujulised pinnad" (vt kasti), milles ülikergete laserimpulsside kasutamine võimaldab kvalitatiivset hüpet erinevate toorikute ja materjalide töötlemisvõimalustes. Näiteks metallide või keraamika, aga ka läbipaistvate või termiliselt tundlike materjalide, näiteks plasti või kiukomposiitide pindu saab töödelda tõhusalt ja ilma jääkideta. Pinnasid saab ka spetsiaalsete tehniliste või bioloogiliste omaduste saavutamiseks spetsiaalselt modifitseerida. Selle tulemusel võivad pinnaomadused, nagu märguvus, kulumiskindlus või kulumiskindlus, ja difusiooniomadused sõltuvalt asukohast, aga ka funktsionaliseeritud pinna interaktsioonist rakkudega implantaadi või selle antimikroobsete omaduste paremaks sissekasvamiskäitumiseks.

Kasvusüdamiku "Mikrolas - fotoonika kujundatud pinnad" kohta

Kasvusüdamik (algatust rahastab BMBF) "Mikrolas - fotoonikaga kujundatud pinnad" on ette nähtud ülitäpse mehaanilise töötlemise erinevate uurimisvaldkondade tehnoloogiate ühendamiseks ja edasiseks arendamiseks tööstuslikuks tootmiseks, nii et kasvu tuumiku partnerid saaksid neid tehnoloogiaid oma rakenduste jaoks kasutada.

Ülimalt lühikeste laserimpulsside abil saab pindu spetsiaalsete ja täpsete muudatuste abil spetsiaalsete tehniliste või bioloogiliste omaduste saavutamiseks. Ultra lühike impulsslaser on suhteliselt uus protsess, millega saab suvalist materjali töödelda ülitäpselt. Laser suudab pinnad puurida, lõigata, freesida ja struktureerida mikromeetri vahemikus. Ta saab puurida auke, mis on õhemad kui inimese juuksed. Sel eesmärgil ühendatakse laserkiir läätse kohale ja suunatakse pinnale. Eemaldatav materjal kuumutatakse kiiresti sulamata, nii et see aurustub. Sel viisil töötleb laser väikseimaid alasid võimalikult lühikese aja jooksul.

Sihtotstarbeline optimeerimine tänu simulatsioonile

Mikro- ja nanostruktureeritud pindade täpset vastasmõju implantaatide ümbritseva keskkonnaga pole aga üksikasjalikult teada. Selliste pinna interaktsioonide analüüsimiseks ei saa kasutada eksperimentaalseid ega analüütilisi meetodeid või neid saab kasutada ainult ebaproportsionaalselt suurte kulude ja ajakuluga, kuid virtuaalsed meetodid võimaldavad süstemaatilist, väga detailset ja "läbipaistvat" lähenemisviisi. Fotonfunktsionaliseeritud pindade tehnilisi ja bioloogilisi omadusi tuleb ennustada ja optimeerida, kasutades arvulist simulatsiooni (in silico). Sõltuvalt rakendusest töötatakse selle põhjal välja projekteerimisprotsessid, mis võimaldavad pinna struktureerimist sihipäraselt optimeerida.

Rostocki ASD Advanced Simulation and Design GmbH on spetsialiseerunud simulatsioonipõhisele tootearendusele ja on oma kasvutuuma osana välja töötanud sobivad meetodid valitud meditsiinitehnoloogia rakenduste pinna modifikatsioonide kavandamiseks ja optimeerimiseks.

Praktiliselt paremale mikrostruktuurile

Puusaliigese endoproteesid on üks rakendus. Kliinilises praktikas on nende revisjonimäär endiselt suhteliselt kõrge, seetõttu tuleb need sageli enneaegselt asendada. Selle põhjuseks võib olla pindadelt hõõrdumisproduktide eraldumine ja seega kiirem kulumine liigesepilus olevate hõõrumisosakeste tõttu. Ühiste endoproteeside libisevate pindade paari mikrostrukturaalsete modifikatsioonide triboloogilist mõju uuriti, kasutades sellise probleemi jaoks arvulisi voolu simulatsioone.

Simulatsioonid näitasid rakendatud deterministlike pinnakonstruktsioonide selget mõju suurusvahemikus 5 kuni 50 um keraamikale, meditsiinilisele roostevabale terasele või plastidele, pidades silmas liuguste libisemistingimusi. Pinna muutmise kuju ja suurus mõjutavad tugevasti mitte-Newtoni sünoviaalvedeliku viskoossust ja seega selle kandmis- ja määrimiskäitumist ning hõõrdeosakeste kohalikku transporti. Simulatsiooni baasil Sobivate mikrostruktuuride suurendada määrimine efekt ja implantaadi elu enne läbiviimisel vastava Teoloogilised ja triboloogilisi teste vähendas oluliselt aega ja kulusid.

Toimiku simulatsioon

Kuidas simulatsioon parandab tootearendust?

Tehke ühendused nähtavaks

Simulatsiooni baasil uurimine interaktsiooni mehaanilise pinna modifikatsioonide kohta implantaadid ümbritsevate kudede võimaldab ennustus ja optimeerimine asjakohaste funktsioonide alguses projekteerimise etapil. Luu on elav materjal, mis oma struktuuri muutes saab kohaneda muutuvate koormustingimustega. Uutes simulatsioonimeetodites võetakse arvesse mikrostruktureeritud pinna topoloogia ja selle mõju rakkude kasvu käitumisele seoseid.

Hambaimplantaatide puhul on huvitav jälgida, kuidas mikrostruktureeritud pinnad mõjutavad implantaadi ja luu koostoimet. Lisaks rakkude modifitseeritud kasvukäitumisele implantaadi pinnal võib pinna modifikatsioon muuta ka luu ja implantaadi pingeid või tüvesid. Seega on võimalik, et täiendavad pinge tipud avaldavad positiivset mõju luu ümberehitusprotsessidele. Teisest küljest ei tohiks luukoe püsiva kahjustuse vältimiseks ületada teatavaid mehaanilisi koormusi. Simulatsioonimudel analüüsib ka hambaimplantaadi mikrostruktureeritud pindade mõju selle paigaldamise käitumisele ja lõualuu stabiilsusele. Sel moel saab sihipäraselt kasutada laserstruktureerimise suurt potentsiaali määratletud, raku suhtes selektiivse pinna genereerimiseks, mille karedus on sektsioonidega seotud.

Simulatsioon vähendab arenduskulusid

Kokkuvõtlikult võib öelda, et kirjeldatud virtuaalse tootearendusmeetodi abil on moodsate pinna modifikatsioonide tööstuslikul rakendamisel võimalik märkimisväärselt vähendada arendusaegu ja kulusid. Eelkõige meditsiinitehnoloogia toodete puhul on paljutõotavad mitte ainult füüsikalis-tehniliste funktsionaalsete parameetrite ennustamise võimalused, vaid ka bioloogiline koostoime.

simulatsioon

Kaardistage mikrovedelike väikseimad mahud realistlikult

* ASD Advanced Simulation and Design GmbH, Rostock