Process optimization for 3D-printing of bioglasses

Abstract

Additive Manufacturing Technology (AMT) ist eine moderne Technik zur schnellen und kostengünstigen Herstellung von Teilen, ausgehend von einer existierenden Geometrie (z.B. eine CAD-Datei). Im Vergleich zu den herkömmlichen Herstellungsverfahren bietet dieses Schicht-für-Schicht Verfahren die Möglichkeit, sehr kleine, oder auch sehr komplexe Teilen herzustellen, wie Gerüste für das Tissue Engineering von Knochen. Bioglass®45S5 wurde in den 60er Jahren entdeckt und seitdem für biomedizinische Anwendungen untersucht. Seine Eigenschaften, die Osteogenese und das Zellwachstum zu fördern und die Fähigkeit, sich nach dem Einsatz in den menschlichen Körper abzubauen, sind sehr vorteilhaft für Anwendungen in der Biomedizin. Die vorliegende Arbeit versucht, eine CAD-Datei als Vorlage für Gerüste hergestellt mittels AMT zu entwickeln. Die Datei sollte eine einfache Struktur haben und die Möglichkeit, einfach und unkompliziert geändert zu werden. Während dieser Arbeit wurden das Bioglass®45S5 Pulver, die Maschinenparameter und die Schlickerzusammensetzungen variiert, mit dem Ziel, die beste Kombination für die Herstellung von Gerüsten für Knochen Tissue Engineering zu finden. Die Arbeit ist in 6 Kapitel unterteilt. Die ersten drei geben eine Überblick der vorliegenden Technologie („state-of-the-art“) und der verwendeten Methoden und Materialien, während die letzten drei die Arbeit und die Ergebnisse im Detail präsentieren. Kapitel 1 beschreibt das Schicht-für-Schicht Verfahren des Additive Manufacturing und den „Blueprinter“ - die 3D-Technologie an der Technischen Universität Wien. Das 2.te Kapitel bietet Informationen über Bioglass® an, von seiner Entdeckung bei Hench in den 60er und seine Entwicklung im Laufe der Jahren bis zu seiner Anwendung in Knochen Tissue Engineering. Kapitel 3 beschreibt die verschiedenen Methoden verwendet zur Identifizierung der Eigenschaften der Schlicker. Unter diesen sind zu erwähnen die Rheologie-Messungen zur Bestimmung der Viskosität oder die thermischen Verfahren (Trocknung, Entbindern und Sintern), die den Proben die gewünschten Eigenschaften geben. Der Herstellungsprozess mit all seinen Stufen wird im Kapitel 4 beschrieben, während die Ergebnisse und Schlussfolgerungen im nächsten Kapitel behandelt werden. Detaillierte Informationen über die Gestaltung, Änderung und Vorbereitung der Teilen für den AMT- Prozess ist gegeben, als auch die verschiedenen Komponenten der Schlicker. Schlussfolgerungen der vorliegenden Arbeit sind im Kapitel 5 zu finden: welche ist die beste Parameterkombination, welche sind die besten Komponenten zur Herstellung der Schlicker oder welche Anforderungen muss das Bioglass® Pulver erfüllen. Das letzte Kapitel enthält eine Zusammenfassung der Arbeit.

Additive Manufacturing Technology (AMT) is a modern technique of producing parts rapidly and cost effectively, starting from a designed geometry (e.g. a CAD file). Compared to the traditional manufacturing processes, this layer-by-layer method offers the possibility of manufacturing very small parts, such as scaffolds used in bone tissue engineering. Bioglass®45S5 has been discovered in the `60s and since then investigated in biomedical applications. Its property of encouraging osteogenesis and the cell growth and the ability to decompose after being inserted into the human body recommend it among other biocompatible materials. The present research tries to develop a CAD file as model for scaffolds fabricated by AMT. The file should have a simple structure and the possibility of being modified easily. Also during this work, the Bioglass®45S5 powder, the machine parameters and the slurry compositions were varied with the purpose of finding the best combination in fabricating scaffolds for bone tissue engineering.