寸法精度の高い押出しベースの印刷、アニーリング、蒸気滅菌のためにバイオコポリエステルブレンドの組成を調整する

Tailoring the composition of biocopolyester blends for dimensionally accurate extrusion-based printing, annealing and steam sterilization.

抄録

溶融フィラメント法（FFF）は、患者の個別化治療のために医療分野で応用されている、簡便な付加製造技術である。しかし、頻繁に加工されるバイオポリマーは、サージカルガイドのような補助器具として使用するには十分な熱安定性がない。本研究の目的は、印刷、アニーリング、滅菌後の熱特性を改善した実験的バイオコポリエステルブレンドの寸法精度を評価することである。合計160個の正方形の試験片と、口腔インプラント埋入用サージカルガイド40個を印刷した。各材料の1つのサブグループ（n=10）に熱アニーリングを行った後、両サブグループに蒸気滅菌（134℃、5分間）を行った。試料はデジタル化され、元のファイルからの偏差が計算された。熱挙動は示差走査熱量測定と熱重量分析を用いて分析した。統計解析には一元配置分散分析（ANOVA）とt検定を適用した（p<0.05）。すべてのバイオポリエステルブレンドは蒸気滅菌中に反りを示した。しかし、ミネラルフィラー（21-32wt%）と核剤による材料改良と熱アニールの組み合わせでは、印刷された正方形の試験片の反りが有意に減少した。印刷対象物の形状は寸法精度に影響するようで、印刷された外科用ガイドはグループ間で歪みが少なかった。まとめると、バイオコポリエステルは、寸法安定性を向上させるために充填剤とアニーリングが有効であった。

Fused filament fabrication (FFF) represents a straightforward additive manufacturing technique applied in the medical sector for personalized patient treatment. However, frequently processed biopolymers lack sufficient thermal stability to be used as auxiliary devices such as surgical guides. The aim of this study was to evaluate the dimensional accuracy of experimental biocopolyester blends with improved thermal characteristics after printing, annealing and sterilization. A total of 160 square specimens and 40 surgical guides for oral implant placement were printed. One subgroup of each material (n = 10) underwent thermal annealing before both subgroups were subjected to steam sterilization (134 °C; 5 min). Specimens were digitized and the deviation from the original file was calculated. The thermal behavior was analyzed using differential scanning calorimetry and thermogravimetric analysis. A one-way ANOVA and t-tests were applied for statistical analyses (p < 0.05). All biocopolyester blends showed warpage during steam sterilization. However, the material modification with mineral fillers (21-32 wt%) and nucleating agents in combination with thermal annealing showed a significantly reduced warpage of printed square specimens. Geometry of the printing object seemed to affect dimensional accuracy, as printed surgical guides showed less distortion between the groups. In summary, biocopolyesters did benefit from fillers and annealing to improve their dimensional stability.