Пермские ученые разработали инновационную технологию 3D-печати сердечно-сосудистых стентов

3D-печать представляет собой перспективный метод создания коронарных стентов — имплантатов, используемых для лечения ишемической болезни сердца. Эти устройства должны обладать высокой биосовместимостью, гибкостью и прочностью. Одним из наиболее перспективных методов является селективное лазерное плавление, широко применяемое в медицинской индустрии. Однако технология производства стентов этим методом пока не до конца разработана.

Фото: Wikimedia Commons by Tiia Monto, CC BY-SA 3.0

Ученые Пермского Политехнического университета предложили двухэтапную технологию 3D-печати кобальт-хромовых стентов, что позволяет создавать более надежные модели и ускорить их производство.

Ишемическая болезнь сердца остается одним из самых распространенных сердечно-сосудистых заболеваний среди взрослого населения, являясь основной причиной смертности и инвалидизации во всем мире. Для ее лечения применяются коронарные стенты — металлические каркасы, устанавливаемые в суженные участки сосудов, чтобы восстановить кровоток и снизить риск осложнений.

Качество таких имплантатов должно быть безупречным, поэтому методика их производства требует тщательной проработки. В последние десять лет сердечно-сосудистые стенты изготавливались с помощью лазерной резки, но селективное лазерное плавление набирает популярность благодаря возможности создания персонализированных изделий с сложной структурой из металла. Однако информации о его применении в производстве имплантатов недостаточно.

Ученые Пермского Политеха разработали двухэтапную технологию селективного лазерного плавления сердечно-сосудистых стентов из кобальт-хромового сплава и определили оптимальные режимы их изготовления.

Доцент кафедры "Вычислительная математика, механика и биомеханика" и заведующий лабораторией биожидкостей ПНИПУ, доктор физико-математических наук Алексей Кучумов, отметил, что перед началом печати необходимо спроектировать 3D-модель стента и оценить свойства металлического порошка. Кобальт-хромовый сплав, часто используемый в медицинских имплантатах, отличается высокой прочностью, долговечностью и отсутствием токсичности и аллергенности. Важно, чтобы он сохранял эти свойства и не содержал вредных примесей.

Старший преподаватель кафедры "Инновационные технологии машиностроения" и научный сотрудник лаборатории биожидкостей ПНИПУ Андрей Дроздов объяснил, что на первом этапе проводилось численное моделирование процесса плавления, чтобы определить оптимальные параметры ширины, высоты и глубины проникновения лазера. Это необходимо для обеспечения прочности стента и точности соответствия 3D-модели. Также рассчитывалось тепловое распределение, чтобы плавление происходило равномерно. Численное моделирование помогает избежать множества ресурсоемких экспериментов для подбора оптимальных режимов печати.

Второй этап включал непосредственное изготовление стента селективным лазерным плавлением с учетом ранее рассчитанных параметров. Доцент кафедры "Инновационные технологии машиностроения" и ведущий научный сотрудник лаборатории биожидкостей ПНИПУ, кандидат технических наук Полина Килина, сообщила, что после проведения экспериментов были определены наиболее подходящие параметры печати. Оптимальными оказались режимы с временем экспозиции 40 микросекунд при 15 микрометрах и 60 микросекунд при 10 микрометрах при мощности лазера 40 или 42,5 Вт. Непригодными оказались режимы с времем экспозиции 20 микросекунд при 5-15 микрометрах, так как стенты, напечатанные с этими параметрами, имели множество дефектов, таких как поры и трещины.

Разработанная двухэтапная технология селективного лазерного плавления может стать альтернативой традиционным методам изготовления микротрубок и лазерной микрорезке. Четкое моделирование и оптимизация параметров печати позволяют создавать более надежные персонализированные имплантаты, что способствует улучшению состояния пациентов и повышению эффективности лечения ишемической болезни сердца.

Исследование проведено при финансовой поддержке Российского научного фонда.

Уточнения

3D-печать относится к классу аддитивных технологий и обычно применяется для задач быстрого прототипирования, но в редких случаях может применяться для мелкосерийного производства конечной продукции.