Optimalizace parametrů 3D tištěného titanu pro zlepšení oseointegrace a podporu hojení

Bc. Veronika Veselá

Master's thesis

Optimization of 3D printed titanium parameters to improve osseointegration and promote healing

Abstract:

Technologie 3D tisku kovových biomateriálů v klinických aplikacích naplňuje potřebu zhotovit implantát na míru pacienta. Umožňuje výrobu anatomicky přesných modelů a konstrukčně strukturovaných částí s cílem podpořit oseointegraci, tedy vytvoření kvalitní vazby mezi kostní tkání a biomateriálem. Výroba implantátu představuje zapojení fyzikálních, inženýrských, biologických a medicínských metod, aby byla zajištěna funkčnost z materiálového i biologického hlediska. Předkládaná práce nabízí biotechnologický pohled na tuto problematiku, kdy buněčná kultura osteoblastů slouží jako jeden z nástrojů pro hodnocení 3D tištěné slitiny Ti6Al4V vyrobené s různými kombinacemi tiskových parametrů a hledá vysvětlení buněčné odpovědi v povrchových vlastnostech materiálu. V experimentech byly obecně pro osteoblasty příznivé vzorky tištěné s nižšími výkony laseru a strategií pruhy (S), z materiálové perspektivy zase vzorky s vyšším výkonem laseru a strategií šachovnice (CH). Volba nejvhodnějších parametrů proto nebyla přímočará, musel být udělán kompromis uspokojující obě strany, a nakonec byla zvolena střední hodnota výkonu laseru 125 W (případně 100 W), strategie CH a rychlost laseru 800 mm·s^-1 (případně 900 mm·s^-1).

Abstract:

In clinical applications, 3D printing technology of metal biomaterials fulfils the need for a customized implant. It enables the production of anatomically accurate models and structured parts to promote osseointegration, i.e. the creation of a quality bond between bone tissue and biomaterial. The implant design involves the integration of physical, engineering, biological and medical methods to achieve functionality from a material and biological point of view. The present work presents a biotechnological perspective on this issue, using osteoblast cell culture as one of the tools to evaluate 3D printed Ti6Al4V alloys fabricated with different combinations of printing parameters and searching for an explanation of the cellular response in the surface properties of the material. In the experiments, samples printed with lower laser power and the stripes (S) strategy were generally favorable for osteoblasts, while from a materials perspective, samples printed with higher laser power and the checkerboard (CH) strategy were more suitable. Therefore, the choice of the most convenient parameters was not straightforward, a compromise had to be made to satisfy both sides, and finally a middle value of 125 W (or 100 W) laser power, CH strategy and 800 mm·s^-1 (or 900 mm·s^-1) laser speed were selected.

Keywords

3D tisk kovů, Ti6Al4V, biokompatibilita, smáčivost povrchu, oseointegrace, osteoblasty, 3D metal printing, biocompatibility, surface wettability, osseointegration, osteoblasts

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 16. 5. 2024

Thesis defence

• Date of defence: 14. 6. 2024
• Supervisor: prof. RNDr. Monika Pávková Goldbergová, Ph.D.
• Reader: Mgr. Lukáš Pácal, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Master programme / field:
Biotechnology / Biotechnology