Modelling and 3D Printing of Morphologically Correct Bone Matrix // Моделиране и 3D принтиране на морфологично достоверна костна матрица

Abstract

The thesis focuses on 3D printing methods used for constructing models representing three main aspects of bone tissue: Macroscopic: Represents the bone as a macroscopic organ and explores methods for creating a model through 3D printing with maximum accuracy. Microscopic: Presents the bone at the tissue level as a collection of polymers that can be shaped into a model through 3D printing. The model can be stained with standard histological protocols and has reliable radiological properties as a tissue-equivalent material representing bone tissue. Radiological: Represents the bone as a radiopaque object that exhibits a similar distribution of atomic density to that of bone tissue. The mentioned aspects were recreated through four studies: 1. Development of a methodology for generating, manufacturing, validating, and quality-controlling 3D-printed models reflecting the spatial properties of the bone as an organ with high accuracy and precision. 2. Generation, manufacturing, and clinical application of patient-specific personalized models for preoperative planning of complex orthopaedic surgeries in the pelvic area, along with investigating their clinical efficacy. 3. Creation of bioink for extrusion-based 3D printing of matrices that recreate the biological, histological, and radiological properties of bone tissue. 4. Creation of a physically anthropomorphic imaging phantom through VbV methodology for 3D printing and analysis of its radiological authenticity.

В настоящия труд са разгледани методите за 3D печат, използвани за изграждането на модели, представящи три основни аспекта на костната тъкан: • Макроскопски: Представя костта като макроскопски орган и разглежда методите за изработването чрез 3D принтиране на модел с максимална точност. • Микроскопски: Представя костта на тъканно ниво като съвкупност от полимери, които може да бъдат оформени като модел чрез 3D принтиране, който да бъде оцветяван със стандартни хистологични протоколи и има достоверни рентгенологични свойства като тъкан-еквивалентен материал, представляващ костната тъкан. • Рентгенологичен: Представя костта като рентгено-позитивен обект, който показва сходно разпределение на своята атомна плътност като това на костната тъкан. Посочените аспекти бяха пресъздадени чрез четири изследвания: 1. Създаване на методика за генериране, изработване, валидация и качествен контрол на изградени чрез триизмерен печат модели, които да отразяват с висока точност и прецизност пространствените свойства на костта като орган. 2. Генериране, изработване и клинично приложение на пациент-специфични персонализирани модели за предоперативно планиране на сложни ортопедични операции в областта на таза и изследване на клиничната им ефикасност. 3. Създаване на биомастило за екструдиращо 3D принтиране на матрици, които пресъздават биологичните, хистологични и рентгенологични свойства на костта като тъкан. 4. Създаване на физически антропоморфен образен фантом чрез VbV методика за триизмерен печат и анализиране на неговата рентгенологична достоверност.