Prakticky Optimalizujte Ty Nejlepší Struktury V Mikrofluidice

Zdravotnické technologické výrobky obecně a zejména implantáty podléhají nejvyšším požadavkům na přesnost, kvalitu a reprodukovatelnost a zároveň musí pokrývat širokou škálu různých materiálů. Jak postupuje miniaturizace a roste funkční integrace, povrchy produktů a součástí musí také převzít speciální funkce, aby dosáhly lékařsky, biologicky nebo technicky výhodných vlastností

Výzva také vyvstává ze zvyšujícího se tlaku na implantáty v důsledku zvyšující se střední délky života, touhy po mobilitě ve stáří a rostoucí obezity. Životnost implantátů je pak rozhodujícím způsobem ovlivnil proces hojení a chování růstu tkáně, zamezení bakteriální kolonizace a chování opotřebení.

Obrázková galerie

Upravit vlastnosti povrchu

Těmto problémům se zabývá růstové jádro „Mikrolas - povrchy tvarované fotonikou“(viz rámeček), ve kterém použití ultra krátkých laserových pulzů umožňuje kvalitativní skok v možnostech zpracování různých obrobků a materiálů. Povrchy například kovů nebo keramiky, ale také z průhledných nebo tepelně citlivých materiálů, jako jsou plasty nebo vláknité kompozity, mohou být zpracovány efektivně a bez zbytků. Povrchy lze také specificky modifikovat, aby se dosáhlo zvláštních technických nebo biologických vlastností. Výsledkem je, že povrchové vlastnosti, jako je smáčivost, otěru nebo odolnost proti opotřebení a difúzní vlastnosti, mohou být ovlivněny v závislosti na poloze, jakož i na interakci funkcionalizovaného povrchu s buňkami pro zlepšené chování vrostání implantátu nebo jeho antimikrobiální vlastnosti.

O jádru růstu "Mikrolas - Povrchy tvarované fotonikou"

Cílem jádra růstu (iniciativa financovaná z BMBF) „Mikrolas - povrchy tvarované fotonikou“je kombinovat technologie z různých oblastí výzkumu ultra přesného obrábění a dále je rozvíjet pro průmyslovou výrobu, aby partneři v jádru růstu mohli tyto technologie použít pro své aplikace.

U ultra krátkých laserových pulzů lze povrchy specificky a přesně měnit, aby se dosáhlo zvláštních technických nebo biologických vlastností. Pulzní laser s ultrakrátkými paprsky je relativně nový proces, pomocí kterého může být jakýkoli materiál zpracován s nejvyšší přesností. Laser může vrtat, řezat, frézovat a strukturovat povrchy v rozsahu mikrometrů. Umí vyvrtat díry, které jsou tenčí než lidské vlasy. Za tímto účelem je laserový svazek svázán přes čočku a nasměrován na povrch. Materiál, který má být odstraněn, je rychle zahříván bez tání, takže se odpařuje. Tímto způsobem laser zpracovává nejmenší oblasti v nejkratším možném čase.

Cílená optimalizace díky simulaci

Přesné interakce mikro- a nanostrukturovaných povrchů s okolním médiem implantátů však nejsou podrobně známy. Zatímco experimentální a analytické metody pro analýzu takových povrchových interakcí nelze použít nebo je lze použít pouze s neúměrně vysokými náklady a časem, virtuální metody umožňují systematický, velmi podrobný a „transparentní“přístup. Technické a biologické vlastnosti fotonicky funkcionalizovaných povrchů je třeba předpovědět a optimalizovat pomocí numerické simulace (in silico). V závislosti na aplikaci jsou na tomto základě vyvíjeny procesy návrhu, které umožňují cílenou optimalizaci strukturování povrchu.

ASD Advanced Simulation and Design GmbH od Rostock se specializuje na vývoj produktů založených na simulaci a vyvinul vhodné procesy pro navrhování a optimalizaci povrchových úprav pro vybrané aplikace lékařské technologie v rámci svého růstového jádra.

Prakticky na správnou mikrostrukturu

Hip endoprotézy jsou jednou aplikací. V klinické praxi mají stále relativně vysokou míru revizí, takže je často nutné předčasně vyměnit. Důvodem může být uvolnění abrazivních produktů z povrchů a tím rychlejší opotřebení abrazivními částicemi ve spárové mezeře. Tribologický účinek mikrostrukturních modifikací dvojice kluzných povrchů kloubních endoprotéz byl zkoumán pomocí numerických simulací toku pro takový problém.

Simulace ukázaly jasný účinek aplikovaných deterministických povrchových struktur v rozsahu velikostí 5 až 50 um na keramiku, lékařskou nerezovou ocel nebo plasty s ohledem na podmínky klouzání v mezeře spoje. Zejména viskozita nenewtonské synoviální tekutiny a tím její chování při přenášení a mazání, jakož i místní transport třecích částic, jsou silně ovlivněny tvarem a velikostí povrchové modifikace. Výběr založený na simulaci vhodných mikrostruktur zvýšit mazací účinek a implantát životnost před provedením odpovídajících reologických a tribologické testy podstatně sníženou dobu vývoje a náklady.

Simulace dokumentace

Jak simulace zlepšuje vývoj produktu

Zviditelněte spojení

Vyšetřování založený na simulaci interakce mechanických povrchových úprav na implantáty s okolní tkání také umožňuje predikci a optimalizaci odpovídajících funkcí v rané fázi návrhu. Kost je živý materiál, který se dokáže přizpůsobit měnícím se podmínkám zatížení změnou své struktury. Nové simulační metody zohledňují vztahy mezi topologií mikrostrukturovaného povrchu a jeho účinky na růstové chování buněk.

V případě zubních implantátů je zajímavé sledovat, jak mikrostrukturované povrchy ovlivňují interakci implantát-kost. Kromě modifikovaného růstového chování buněk na povrchu implantátu může modifikace povrchu také změnit napětí nebo kmeny v kosti a implantátu. Je tedy možné, že další vrcholy napětí mají pozitivní vliv na procesy remodelace kosti. Na druhé straně by nemělo být překročeno určité mechanické zatížení, aby nedošlo k trvalému poškození kostní tkáně. Simulační model také analyzuje účinky mikrostrukturovaných povrchů zubního implantátu na jeho chování při zavádění a stabilitu v čelisti. To znamená, že velký potenciál laserového strukturování pro vytvoření definovaného, buněčně selektivního povrchu s konstrukcí drsnosti související s řezem může být použit cíleným způsobem.

Simulace snižuje náklady na vývoj

V souhrnu lze říci, že při popsané metodě vývoje virtuálních produktů lze v průmyslové implementaci moderních povrchových úprav dosáhnout významného zkrácení doby vývoje a nákladů. Zejména v případě produktů lékařské technologie jsou velmi slibné nejen možnosti předpovídání fyzikálně-technických funkčních parametrů, ale také biologické interakce.

simulace

Realisticky mapujte nejmenší objemy mikrofluidik

* ASD Advanced Simulation and Design GmbH, Rostock