Tato diplomová práce se zabývá individuálními implantáty vyrobenými technologií Selective Laser Melting (SLM). Testovaným materiálem je biokompatibilní titanová slitina Ti-6Al-4V, ze které byly technologií SLM zhotoveny laboratorní vzorky. V rámci práce byly vzorky testovány na cytotoxicitu, bylo u nich analyzováno chemické složení a drsnost povrchu. Dále byla ověřena geometrická přesnost technologie a nakonec byly provedeny tahové zkoušky ke zjištění mechanických vlastností. Tato měření a testování měla za cíl objasnit, zda technologie SLM neovlivňuje biokompatibilitu a jiné vlastnosti materiálu a tedy zda jsou díly vyrobené touto technologií vhodné pro medicínské použití. Práce se zaměřuje především na kraniální implantáty.
Anotace v angličtině
This diploma thesis investigates the possibility of producing medical parts by Selective Laser Melting technology (SLM). The tested material is biocompatible titanium alloy Ti-6Al-4V. In this study, the laboratory samples made by SLM technology were tested for cytotoxicity, chemical composition and the surface roughness. Further, geometric accuracy of SLM technology was tested and to determine the mechanical properties the tensile tests were performed. These measurements and testing were intended to clarify whether the SLM technology does not affect the biocompatibility and other properties of the implant and thus, whether the implants made by this technology are suitable for medical use. The study focuses mainly on cranial implants.
Klíčová slova
Aditivní technologie výroby, SLM, Selective Laser Melting, Individuální implantáty, Ti-6Al-4V
Klíčová slova v angličtině
Additive manufacturing, SLM, Selective Laser Melting, Individual medical implants, Ti-6Al-4V
Rozsah průvodní práce
91 s. (103 s. včetně příloh)
Jazyk
CZ
Anotace
Tato diplomová práce se zabývá individuálními implantáty vyrobenými technologií Selective Laser Melting (SLM). Testovaným materiálem je biokompatibilní titanová slitina Ti-6Al-4V, ze které byly technologií SLM zhotoveny laboratorní vzorky. V rámci práce byly vzorky testovány na cytotoxicitu, bylo u nich analyzováno chemické složení a drsnost povrchu. Dále byla ověřena geometrická přesnost technologie a nakonec byly provedeny tahové zkoušky ke zjištění mechanických vlastností. Tato měření a testování měla za cíl objasnit, zda technologie SLM neovlivňuje biokompatibilitu a jiné vlastnosti materiálu a tedy zda jsou díly vyrobené touto technologií vhodné pro medicínské použití. Práce se zaměřuje především na kraniální implantáty.
Anotace v angličtině
This diploma thesis investigates the possibility of producing medical parts by Selective Laser Melting technology (SLM). The tested material is biocompatible titanium alloy Ti-6Al-4V. In this study, the laboratory samples made by SLM technology were tested for cytotoxicity, chemical composition and the surface roughness. Further, geometric accuracy of SLM technology was tested and to determine the mechanical properties the tensile tests were performed. These measurements and testing were intended to clarify whether the SLM technology does not affect the biocompatibility and other properties of the implant and thus, whether the implants made by this technology are suitable for medical use. The study focuses mainly on cranial implants.
Klíčová slova
Aditivní technologie výroby, SLM, Selective Laser Melting, Individuální implantáty, Ti-6Al-4V
Klíčová slova v angličtině
Additive manufacturing, SLM, Selective Laser Melting, Individual medical implants, Ti-6Al-4V
Zásady pro vypracování
Cíle práce:
1) Literární rešerše
2) Zhotovení laboratorních vzorků metodou SLM
3) Testování biokompatibility
4) Ověření geometrické přesnosti technologie SLM
5) Závěr a diskuze
Teoretická východiska (včetně výstupu z kvalifikační práce):
Technologií SLM se zhotoví laboratorní vzorky, které se budou v laboratoři dále testovat a vyhodnocovat. Součástí práce bude testování biokompatibility a ověření geometrické přesnosti technologie SLM. Ve světové literatuře je publikováno, že implantáty vyrobené z titanové slitiny technologií SLM jsou vhodné i pro medicínské využití. Cílem práce bude ověření, zda nemají takto vyrobené implantáty pozměněné chemické složení a zda jsou biokompatibilní.
Výzkumné předpoklady:
Hlavní výzkumnou otázkou práce je zaměření se na testování chemického složení a biokompatibility, tedy vlivu na buněčné populace. Dosažené výsledky budou porovnány s literaturou (dle odborné literatury viz níže a dalších vhodných literárních zdrojů).
Metoda:
Kvantitativní
Technika práce, vyhodnocení dat:
Součástí experimentu s titanovými vzorky bude zjišťování chemického složení a testování cytotoxicity. Ta bude vyhodnocována především po stránce porovnávání (buňky vystavené/nevystavené působení titanového vzorku). Dále bude ověřována geometrická přesnost technologie SLM a nakonec se provede statistické vyhodnocení experimentů.
Místo a čas realizace výzkumu:
Práce bude probíhat v Laboratoři prototypových technologií a procesů a dále pak v Laboratoři tkáňového inženýrství, a to v měsících červen 2016 až březen 2017.
Vzorek:
Hodnoceny budou vzorky titanové slitiny vyrobené technologií SLM.
Zásady pro vypracování
Cíle práce:
1) Literární rešerše
2) Zhotovení laboratorních vzorků metodou SLM
3) Testování biokompatibility
4) Ověření geometrické přesnosti technologie SLM
5) Závěr a diskuze
Teoretická východiska (včetně výstupu z kvalifikační práce):
Technologií SLM se zhotoví laboratorní vzorky, které se budou v laboratoři dále testovat a vyhodnocovat. Součástí práce bude testování biokompatibility a ověření geometrické přesnosti technologie SLM. Ve světové literatuře je publikováno, že implantáty vyrobené z titanové slitiny technologií SLM jsou vhodné i pro medicínské využití. Cílem práce bude ověření, zda nemají takto vyrobené implantáty pozměněné chemické složení a zda jsou biokompatibilní.
Výzkumné předpoklady:
Hlavní výzkumnou otázkou práce je zaměření se na testování chemického složení a biokompatibility, tedy vlivu na buněčné populace. Dosažené výsledky budou porovnány s literaturou (dle odborné literatury viz níže a dalších vhodných literárních zdrojů).
Metoda:
Kvantitativní
Technika práce, vyhodnocení dat:
Součástí experimentu s titanovými vzorky bude zjišťování chemického složení a testování cytotoxicity. Ta bude vyhodnocována především po stránce porovnávání (buňky vystavené/nevystavené působení titanového vzorku). Dále bude ověřována geometrická přesnost technologie SLM a nakonec se provede statistické vyhodnocení experimentů.
Místo a čas realizace výzkumu:
Práce bude probíhat v Laboratoři prototypových technologií a procesů a dále pak v Laboratoři tkáňového inženýrství, a to v měsících červen 2016 až březen 2017.
Vzorek:
Hodnoceny budou vzorky titanové slitiny vyrobené technologií SLM.
Seznam doporučené literatury
1. RATNER, B. D., Allan S. HOFFMAN, Frederick J. SCHOEN a Jack E. LEMONS (eds.). Biomaterials science:
an introduction to materials in medicine. Third edition. Amsterdam: Academic Press, 2013. ISBN 978-0-12-374626-9.
2. BACAKOVA, Lucie, Elena FILOVA, Martin PARIZEK, Tomas RUML a Vaclav SVORCIK. Modulation of cell adhesion, proliferation and differentiation on materials designed for body implants. Biotechnology Advances [online]. 2011, 29(6),
739-767 [cit. 2016-05-18]. DOI: 10.1016/j.biotechadv.2011.06.004. ISSN 0734-9750. Dostupné z: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0734975011000802
3. FRÖMEL, Jiří. Optimalizace parametrů výrobního procesu pro 3D tisk z kovového prášku [online]. Liberec, 2015
[cit. 2016-11-17]. Dostupné z: http://knihovna-opac.tul.cz/externalResources/theses/31750_type=0. Diplomová práce.
Technická univerzita v Liberci. Vedoucí práce Jiří Šafka.
4. TUHÁČEK, Daniel. Optimalizace podpůrných struktur ve výrobním procesu pro 3D tisk z kovového prášku [online]. Liberec, 2016 [cit. 2016-11-17]. Dostupné z: http://knihovna-opac.tul.cz/externalResources/theses/31760_type=0. Bakalářská práce. Technická univerzita v Liberci. Vedoucí práce Jiří Šafka.
5. GU, Dongdong. Laser additive manufacturing of high-performance materials. Berlin: Springer, 2015. ISBN 978-3-662-46088-7.
6. PRUITT, Lisa A. a Ayyana M. CHAKRAVARTULA. Mechanics of biomaterials: fundamental principles for implant design. Cambridge: Cambridge University Press, 2011. ISBN 978-0-521-76221-2.
7. BANDYOPADHYAY, Amit a Susmita BOSE (eds.). Characterization of biomaterials. Amsterdam: Elsevier, 2013. ISBN 978-0-12-415800-9.
8. BLACK, Jonathan. Biological performance of materials: fundamentals of biocompatibility. 4th ed. Boca Raton: Taylor & Francis, 2006. ISBN 0-8493-3959-6.
9. PULEO, David A. a Rena BIZIOS (eds.). Biological interactions on materials surfaces: understanding and controlling protein, cell, and tissue responses. New York: Springer, 2009. ISBN 978-0-387-98160-4.
10. BAGHERI, Zahra S., David MELANCON, Lu LIU, R. Burnett JOHNSTON a Damiano PASINI. Compensation strategy to reduce geometry and mechanics mismatches in porous biomaterials built with Selective Laser Melting. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials [online]. 2016, [cit. 2016-05-18]. DOI: 10.1016/j.jmbbm.2016.04.041.
ISSN 1751-6161. Dostupné z: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S175161611630114X
11. XIAO, Dong-ming, Yong-qiang YANG, Xu-bin SU, Di WANG a Zi-yi LUO. Topology optimization of microstructure and selective laser melting fabrication for metallic biomaterial scaffolds. Transactions of Nonferrous Metals Society of China [online]. 2012, 22(10), 2554-2561 [cit. 2016-05-18]. DOI: 10.1016/S1003-6326(11)61500-8. ISSN 1003-6326. Dostupné z:
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1003632611615008
12. ARABNEJAD, Sajad, R. BURNETT JOHNSTON, Jenny Ann PURA, Baljinder SINGH, Michael TANZER a Damiano PASINI. High-strength porous biomaterials for bone replacement: A strategy to assess the interplay between cell morphology, mechanical properties, bone ingrowth and manufacturing constraints. Acta Biomaterialia [online]. 2016, 30, 345-356
[cit. 2016-05-18]. DOI: 10.1016/j.actbio.2015.10.048. ISSN 1742-7061. Dostupné z:
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S174270611530177X
13. VAITHILINGAM, Jayasheelan, Elisabetta PRINA, Ruth D. GOODRIDGE, Richard J.M. HAGUE, Steve EDMONDSON, Felicity R.A.J. ROSE a Steven D.R. CHRISTIE. Surface chemistry of Ti6Al4V components fabricated using selective laser melting for biomedical applications. Materials Science and Engineering: C [online]. 2016, 67, 294-303 [cit. 2016-05-18]. DOI: 10.1016/j.msec.2016.05.054. ISSN 0928-4931. Dostupné z: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0928493116304738
Seznam doporučené literatury
1. RATNER, B. D., Allan S. HOFFMAN, Frederick J. SCHOEN a Jack E. LEMONS (eds.). Biomaterials science:
an introduction to materials in medicine. Third edition. Amsterdam: Academic Press, 2013. ISBN 978-0-12-374626-9.
2. BACAKOVA, Lucie, Elena FILOVA, Martin PARIZEK, Tomas RUML a Vaclav SVORCIK. Modulation of cell adhesion, proliferation and differentiation on materials designed for body implants. Biotechnology Advances [online]. 2011, 29(6),
739-767 [cit. 2016-05-18]. DOI: 10.1016/j.biotechadv.2011.06.004. ISSN 0734-9750. Dostupné z: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0734975011000802
3. FRÖMEL, Jiří. Optimalizace parametrů výrobního procesu pro 3D tisk z kovového prášku [online]. Liberec, 2015
[cit. 2016-11-17]. Dostupné z: http://knihovna-opac.tul.cz/externalResources/theses/31750_type=0. Diplomová práce.
Technická univerzita v Liberci. Vedoucí práce Jiří Šafka.
4. TUHÁČEK, Daniel. Optimalizace podpůrných struktur ve výrobním procesu pro 3D tisk z kovového prášku [online]. Liberec, 2016 [cit. 2016-11-17]. Dostupné z: http://knihovna-opac.tul.cz/externalResources/theses/31760_type=0. Bakalářská práce. Technická univerzita v Liberci. Vedoucí práce Jiří Šafka.
5. GU, Dongdong. Laser additive manufacturing of high-performance materials. Berlin: Springer, 2015. ISBN 978-3-662-46088-7.
6. PRUITT, Lisa A. a Ayyana M. CHAKRAVARTULA. Mechanics of biomaterials: fundamental principles for implant design. Cambridge: Cambridge University Press, 2011. ISBN 978-0-521-76221-2.
7. BANDYOPADHYAY, Amit a Susmita BOSE (eds.). Characterization of biomaterials. Amsterdam: Elsevier, 2013. ISBN 978-0-12-415800-9.
8. BLACK, Jonathan. Biological performance of materials: fundamentals of biocompatibility. 4th ed. Boca Raton: Taylor & Francis, 2006. ISBN 0-8493-3959-6.
9. PULEO, David A. a Rena BIZIOS (eds.). Biological interactions on materials surfaces: understanding and controlling protein, cell, and tissue responses. New York: Springer, 2009. ISBN 978-0-387-98160-4.
10. BAGHERI, Zahra S., David MELANCON, Lu LIU, R. Burnett JOHNSTON a Damiano PASINI. Compensation strategy to reduce geometry and mechanics mismatches in porous biomaterials built with Selective Laser Melting. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials [online]. 2016, [cit. 2016-05-18]. DOI: 10.1016/j.jmbbm.2016.04.041.
ISSN 1751-6161. Dostupné z: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S175161611630114X
11. XIAO, Dong-ming, Yong-qiang YANG, Xu-bin SU, Di WANG a Zi-yi LUO. Topology optimization of microstructure and selective laser melting fabrication for metallic biomaterial scaffolds. Transactions of Nonferrous Metals Society of China [online]. 2012, 22(10), 2554-2561 [cit. 2016-05-18]. DOI: 10.1016/S1003-6326(11)61500-8. ISSN 1003-6326. Dostupné z:
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1003632611615008
12. ARABNEJAD, Sajad, R. BURNETT JOHNSTON, Jenny Ann PURA, Baljinder SINGH, Michael TANZER a Damiano PASINI. High-strength porous biomaterials for bone replacement: A strategy to assess the interplay between cell morphology, mechanical properties, bone ingrowth and manufacturing constraints. Acta Biomaterialia [online]. 2016, 30, 345-356
[cit. 2016-05-18]. DOI: 10.1016/j.actbio.2015.10.048. ISSN 1742-7061. Dostupné z:
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S174270611530177X
13. VAITHILINGAM, Jayasheelan, Elisabetta PRINA, Ruth D. GOODRIDGE, Richard J.M. HAGUE, Steve EDMONDSON, Felicity R.A.J. ROSE a Steven D.R. CHRISTIE. Surface chemistry of Ti6Al4V components fabricated using selective laser melting for biomedical applications. Materials Science and Engineering: C [online]. 2016, 67, 294-303 [cit. 2016-05-18]. DOI: 10.1016/j.msec.2016.05.054. ISSN 0928-4931. Dostupné z: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0928493116304738
Přílohy volně vložené
CD ROM
Přílohy vázané v práci
ilustrace, mapy, schémata
Převzato z knihovny
Ne
Plný text práce
Přílohy
Posudek(y) oponenta
Hodnocení vedoucího
Záznam průběhu obhajoby
Průběh obhajoby je zveřejněn pouze přihlášenému uživateli.