Michael Sealy, professeur assistant en génie mécanique et des matériaux, détient un exemple de base des implants médicaux qu'il conçoit via les imprimantes 3D de l'Université du Nebraska-Lincoln. Sealy utilise les imprimantes pour fabriquer des vis à base de magnésium, broches et autres implants qui peuvent se dissoudre lentement dans le corps, ce qui annulerait la nécessité d'interventions chirurgicales de suivi pour retirer ces implants. Crédit :Craig Chandler | Université du Nebraska-Lincoln
Comme un gosse, Michael Sealy était grand. Un peu maladroit, il dit. Et il en a une preuve durable :deux vis métalliques dans son coude gauche.
Le gaucher a subi une intervention chirurgicale après avoir trébuché et fracturé ce coude en cinquième année. Les chirurgiens ont inséré les vis pour maintenir son cubitus ensemble. L'os a guéri. Les vis sont restées.
"Ça commence à faire mal, " Sealy a déclaré à propos du coude. "Parfois, cela semble être en corrélation avec le temps froid ou l'arrivée d'un front de tempête. D'autres fois, ça fait mal - et bien sûr ma femme ne me croit pas - quand je fais des corvées, comme transporter le pot de lait ou sortir les vêtements de la machine à laver. »
Maintenant professeur adjoint à l'Université du Nebraska-Lincoln, Sealy a mélangé les affaires avec ce mécontentement en introduisant une nouvelle approche dans une quête de plusieurs décennies.
"Au lieu d'avoir ces implants métalliques permanents, ayons-en un qui se dégrade avec le temps, " a-t-il dit. " Éliminons toute cette idée d'une deuxième intervention chirurgicale pour retirer ces implants. "
C'est un défi majeur pour plusieurs raisons. Mais l'université a équipé Nebraska Engineering d'une technologie à la hauteur de ce défi :la première imprimante 3D au monde capable d'intégrer plusieurs matériaux et processus de fabrication tout en imprimant des métaux hautement réactifs tels que le magnésium.
Dans le corps humain, Le magnésium est un minéral essentiel qui aide réellement à maintenir l'intégrité structurelle des os. Pourtant, il se dégrade aussi rapidement lorsqu'il est exposé à l'oxygène, eau et sels, qui sont tous abondants dans le corps.
Michael Sealy du Nebraska (à gauche) et Prahalada Rao se tiennent dans les laboratoires de technologie additive d'ingénierie du Nebraska, abrite les trois imprimantes 3D les plus avancées de l'université. Crédit :Craig Chandler | Université du Nebraska-Lincoln
Cette combinaison de familiarité et de réactivité, Sealy a dit, fait du magnésium un candidat de choix pour devenir l'ingrédient principal des vis solubles, plaques et autres implants médicaux qui pourraient éliminer les chirurgies de suivi ou toute une vie de douleurs pendant les tempêtes de neige.
Pour renforcer le magnésium contre les rigueurs du corps assez longtemps pour servir d'implant, Sealy a commencé à expérimenter une technique appelée grenaillage au laser alors qu'il était étudiant diplômé.
"Ce processus équivaut à prendre un marteau et à frapper votre voiture avec, " dit-il. " Je fais la même chose, sauf que je le fais avec un laser - le laser est mon marteau - et j'ai frappé l'implant pour le rendre essentiellement plus dur et plus fort."
Le grenaillage au laser a aidé le magnésium à résister si bien aux tests de corrosion initiaux que Sealy a commencé à considérer les résultats de sa thèse comme des « données du lac, parce que c'était tellement bon que j'allais commercialiser la technologie et acheter une maison au bord du lac grâce à ces résultats."
Sealy a ensuite commencé à tester la corrosion à long terme des pièces en magnésium dans un fluide qui simulait l'environnement aqueux du corps. Cette fois, les résultats ont été plus sérieux :les vis ont perdu 50 pour cent de leur résistance après seulement une semaine et 80 pour cent après deux semaines. Sealy s'est rapidement rendu compte que le grenaillage de la surface des pièces en magnésium ne suffirait pas.
"Avec ça, J'ai des résultats en carton, '", a-t-il admis en riant. "C'était un peu déprimant. Mais c'était l'une de mes grandes motivations pour venir au Nebraska. J'ai réalisé que si je (voulais) contrôler la dégradation de ces implants non seulement sur la surface externe, mais tout au long de la vie de l'appareil, J'avais besoin d'aller quelque part avec une imprimante 3D métal qui me permettrait d'imprimer ces implants en magnésium."
N'importe quelle imprimante 3D ne ferait pas l'affaire. Il avait besoin d'accéder au type de technologie qui commençait tout juste à émerger. Nebraska Engineering lui a offert l'opportunité d'aider à diriger l'achat de trois imprimantes 3D à la fine pointe de la technologie.
Crédit :Craig Chandler
Ces imprimantes éliminent pratiquement tout l'oxygène, l'humidité et d'autres impuretés qui pourraient réagir avec le magnésium, une capacité assez rare en soi. Mais ils permettent également aux ingénieurs du Nebraska de construire des composants couche par couche, ce qui permet à Sealy et à ses collègues d'incorporer plusieurs matériaux ou de construire des structures internes complexes.
L'autre avantage majeur ? Être capable d'appliquer divers traitements de fabrication, y compris le grenaillage au laser, sur une ou toutes les couches internes d'une pièce.
"Ensuite, je peux contrôler la corrosion tout au long de ces appareils, " Sealy a déclaré. "Cette approche est essentiellement un moyen d'imprimer vos propres propriétés mécaniques. C'est quelque chose que la fabrication traditionnelle n'a jamais vraiment eu la capacité de faire auparavant.
« Ce qui est unique à propos de notre imprimante, c'est qu'elle est la première à combiner ces capacités d'impression hybride et réactive. Je dirais qu'il s'agit probablement de l'installation de fabrication d'additifs hybrides la plus avancée au monde, simplement parce que notre équipement est si rare."
Avec ce niveau de personnalisation à sa disposition, Sealy expérimente maintenant pour répondre à plusieurs questions :Comment le grenaillage des couches individuelles affecte-t-il le taux de corrosion d'une pièce résultante ? Quelle est la concentration optimale de magnésium par rapport aux autres métaux ? Ces résultats changent-ils en fonction de la technique d'impression des pièces ?
« C'est un peu la partie amusante :déterminer quelles sont ces règles empiriques pour les différentes technologies d'impression sur différents systèmes de matériaux, " il a dit.
Finalement, Sealy a dit, l'approche print-and-peen devrait l'aider à concevoir et à construire des implants en magnésium qui se dégradent à des rythmes différents à l'intérieur du corps. Un modèle de plaque claviculaire ou de genouillère peut se dégrader en un an, tandis qu'un autre pourrait se dissoudre en trois ou cinq ans.
"Si tu me prends quand j'étais en cinquième année et que je me suis cassé le coude, Je régénérais rapidement du nouveau tissu osseux, " a déclaré Sealy. " Mes os guérissaient rapidement, J'avais donc besoin d'un implant qui se dégradait rapidement. Si quelqu'un est une femme de 75 ans atteinte d'ostéoporose qui a peut-être fumé toute sa vie, elle ne régénère pas le nouveau tissu osseux aussi rapidement. Elle peut avoir besoin d'un implant qui se dégrade lentement. Nous pouvons faire ça."
