複雑な骨折や、骨の一部が欠損した場合の治療には、通常、外科医が金属製インプラントを使用します。こうした中で、生体分解性のマグネシウムおよびその合金は、生体不活性なチタンなどの従来の材料に代わる魅力的な選択肢となっています。この軽金属製のインプラントは、体内で生分解されるため有利です。マグネシウムはミネラル栄養素として体内に吸収されるため、インプラント除去のための二度目の手術が不要になります。
治癒を早めるには、インプラントまたはその表面の設計が、細胞の接着やインプラント内への細胞増殖を促すものである必要があります。そこで研究者らは、構造的に規則正しく配列された多数の気孔を持ちながら、なお機械的安定性を保つマグネシウム製インプラントの新たな製造方法を開発しました。
多孔質構造を作るため、研究者らはまず3Dプリンターを用いて三次元の塩テンプレートを印刷しました。純粋な一般的な食卓塩は印刷に適さないため、そのためにゲル状の塩ペーストを開発しました。研究者らは、印刷工程を用いて塩テンプレートのストラット径と間隔を調整することができます。
十分な機械的強度を得るため、研究者らは次に塩構造体を焼結しました。焼結中、研究者らは微細な粒子状の材料を大きく加熱しますが、被加工物の構造を保持するため、ペーストの融点を十分に下回る温度を選択しています。
次の工程は、気孔にマグネシウム融液を浸透させることでした。「このようにして得られた浸透体は機械的に非常に安定しており、容易に研磨、旋削、成形することができます」と、ETHチューリッヒの材料部門で金属物理・技術の教授を務めるイェルク・レフラー氏は述べています。機械的成形の後、研究者らは塩を溶解させ、規則的に構造化された多数の気孔を持つ純粋なマグネシウム製インプラントを得ました。
「材料内の気孔の大きさ、分布、配向を制御できることは、臨床での成功にとって決定的です。骨細胞はこれらの気孔の中に成長しやすいからです」とレフラー氏は述べています。このプロセスは、インプラントを骨に迅速に統合するための鍵となります。
塩からこれらのテンプレート構造を製造する新しい方法は、マグネシウム以外の材料にも適用できます。研究者らは、この工程によりポリマー、セラミックス、その他の軽金属における気孔形状の調整が可能になると期待しています。
この新しい製造方法の着想は、現在アンドレ・シュタッサールの複合材料研究グループで博士課程に在籍するニコル・クレガーの修士論文から生まれました。この研究では、シュタッサールの指導の下、研究者らが最初の塩テンプレートを3Dプリントしました。クレガーの初期研究は、ETHチューリッヒ卓越奨学金・機会助成金によって支援されました。現在、クレガーは博士論文プロジェクトにおいて、3Dプリント手法をさらに発展させています。
この研究成果は、Advanced Materialsに掲載されています。
