[논문 리뷰] Architectural bone parameters and the relationship to titanium lattice design for powder bed fusion additive manufacturing

Martine McGregor, Sagar Patel외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 17.

Bone Tissue Engineering Materials참고 문헌 169인용 수 102

한 줄 요약

이 리뷰는 파우더 베드 퓨전 적층 제조를 통해 제작된 티타늄 라티스 설계와 자연적인 섬유모양 뼈 미세구조 사이의 불일치를 규명한다. 포화도, 구멍 크기, 라티스 구조 최적화—특히 표면 기반 또는 하이브리드 스트럿-표면 라티스를 통해—는 피부질 뼈와 섬유모양 뼈의 기계적 성질을 더 잘 일치시켜 스트레스 실드 현상을 감소시키고 임플란트 통합을 향상시킬 수 있다.

ABSTRACT

Additive manufacturing (AM) of titanium (Ti) and Ti-6Al-4V lattices has been proposed for bone implants and augmentation devices. Ti and Ti-6Al-4V have favourable biocompatibility, corrosion resistance and fatigue strength for bone applications; yet, the optimal parameters for Ti-6Al-4V lattice designs corresponding to the natural micro- and meso-scale architecture of human trabecular and cortical bone are not well understood. A comprehensive review was completed to compare the natural lattice architecture properties in human bone to Ti and Ti-6Al-4V lattice structures for bone replacement and repair. Ti and Ti-6Al-4V lattice porosity has varied from 15% to 97% with most studies reporting a porosity between 50-70%. Cortical bone is roughly 5-15% porous and lattices with 50-70% porosity are able to achieve comparable stiffness, compressive strength, and yield strength. Trabecular bone has a reported porosity range from 70-90%, with trabecular thickness varying from 120-200 {\mu}m. Existing powder bed fusion technologies have produced strut and wall thicknesses ranging from 200-1669 {\mu}m. This suggests limited overlap between current AM of Ti and Ti-6Al-4V lattice structures and trabecular bone architecture, indicating that replicating natural trabecular bone parameters with latticing is prohibitively challenging. This review contributes to the body of knowledge by identifying the correspondence of Ti and Ti-6Al-4V lattices to the natural parameters of bone microarchitectures, and provides further guidance on the design and AM recommendations towards addressing recognized performance gaps with powder bed fusion technologies.

연구 동기 및 목표

• 임플란트 설계에 관련된 인간의 피부질 뼈와 섬유모양 뼈의 기계적 및 구조적 파라미터를 규명하는 것.
• 자연적인 뼈 미세구조와 적층 제조된 Ti-6Al-4V 라티스 구조 사이의 대응 관계를 평가하는 것.
• 현재 파우더 베드 퓨전(PBF) AM 기술이 섬유모양 뼈를 재현하는 데 있어 성능 격차를 규명하는 것.
• 뼈의 기계적 거동을 더 잘 따르는 향상된 티타늄 라티스 임플란트를 위한 설계 및 제조 권고 사항을 제공하는 것.
• 섬유모양 뼈를 더 잘 모방하기 위해 표면 기반 또는 하이브리드 스트럿-표면 라티스와 같은 고급 라티스 기하학을 도입할 것을 주장하는 것.

제안 방법

• 파우더 베드 퓨전 적층 제조에서 인간 뼈 미세구조와 티타늄 라티스 파라미터를 비교한 종합적인 문헌 리뷰를 수행했다.
• 티타늄 및 Ti-6Al-4V 라티스의 AM에 관한 100여 편 이상의 연구에서 포화도, 스트럿 두께, 구멍 크기, 라티스 유형을 분석했다.
• 지브슨-아쉬비 모델을 사용하여 라티스의 기계적 성질(탄성율, 압축 강도)을 피부질 뼈와 섬유모양 뼈와 비교 평가했다.
• 파우더 베드 퓨전(PBF) AM이 섬유모양 뼈 수준의 특징(예: 120–200 µm의 섬유모양 뼈 두께)을 구현하는 데 있어 제조 가능성의 한계를 평가했다.
• 스토케스틱 표면 기반 라티스의 잠재력을 탐색하여 섬유모양 뼈의 복잡한 기하학을 더 잘 모방할 수 있도록 했다.
• 뼈의 변동하는 포화도와 기계적 거동을 기반으로 환자 및 부위별 맞춤형 라티스 설계 프레임워크를 제안했다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현재 PBF AM에서의 Ti-6Al-4V 라티스 파라미터가 인간의 피부질 뼈와 섬유모양 뼈의 포화도 및 특징 치수와 어느 정도 일치하는가?
• RQ2 기존의 PBF AM 기술이 인간의 피부질 뼈와 섬유모양 뼈의 기계적 성질을 유사하게 갖춘 티타늄 라티스를 제조할 수 있는가?
• RQ3 기존의 스트럿 기반 라티스로 섬유모양 뼈 구조를 재현하는 데 어려움이 있는 이유는 무엇인가?
• RQ4 라티스 구조 최적화(예: 표면 기반, 하이브리드 스트럿-표면)는 섬유모양 뼈에 더 잘 기계적 특성을 일치시킬 수 있는가?
• RQ5 티타늄 뼈 임플란트의 스트레스 실드 현상을 줄이기 위해 필요한 설계 및 제조 전략은 무엇인가?

주요 결과

• 50–70%의 포화도를 가진 Ti-6Al-4V 라티스는 피부질 뼈(5–15% 포화도)와 유사한 압축 강도와 강성 수준을 달성한다.
• 섬유모양 뼈의 포화도 범위는 70–90%이지만, 현재 PBF AM에서 제조되는 스트럿 두께는 200–1669 µm이며, 자연 섬유모양 뼈 두께(120–200 µm)와 부분적으로 겹친다.
• 섬유모양 뼈의 두께만 일치한다고 해서 기계적 성질의 유사성이 보장되지 않으며, 이는 부피 모odulus의 차이 때문이기 때문이다.
• 표면 기반 및 하이브리드 스트럿-표면 라티스는 전통적인 스트럿 기반 라티스보다 섬유모양 뼈의 복잡한 미세구조를 더 잘 재현할 잠재력을 보인다.
• 지브슨-아쉬비 모델은 Ti-6Al-4V 라티스에서 포화도와 탄성율, 압축 강도 사이의 상관관계를 효과적으로 기술하지만, 이sovropic하고 환자 맞춤형 설계에는 보완이 필요하다.
• 연령, 성별, 골격 부위에 따라 뼈의 포화도와 미세구조에 큰 차이가 있으므로, 환자 및 부위별 맞춤형 라티스 설계가 필수적이다.