Als een kind, Michael Sealy was lang. Een beetje onhandig, hij zegt. En hij heeft het blijvende bewijs:twee metalen schroeven in zijn linkerelleboog.

De linkshandige onderging een operatie nadat hij in de vijfde klas struikelde en die elleboog brak. Chirurgen brachten de schroeven in om zijn ellepijpbeen bij elkaar te houden. Het bot is genezen. De schroeven bleven.

"Het begint pijn te doen, "Zei Sealy over de elleboog. "Soms lijkt het verband te houden met koud weer of een naderend stormfront. Andere keren, het doet pijn - en natuurlijk gelooft mijn vrouw me niet - als ik klusjes doe, zoals het dragen van de kan melk of het optillen van kleding uit de wasmachine."

Nu een assistent-professor aan de Universiteit van Nebraska-Lincoln, Sealy heeft zaken met dat ongenoegen gemengd door te pionieren met een nieuwe benadering van een decennialange zoektocht.

"In plaats van deze permanente metalen implantaten, laten we er een hebben die na verloop van tijd verslechtert, " zei hij. "Laten we dit hele idee van een tweede operatie om deze implantaten te laten verwijderen afschaffen."

Het is om meerdere redenen een grote uitdaging. Maar de universiteit heeft Nebraska Engineering uitgerust met technologie die geschikt is voor die uitdaging:de eerste 3D-printer ter wereld die meerdere materialen en productieprocessen kan integreren en tegelijkertijd zeer reactieve metalen zoals magnesium kan printen.

In het menselijk lichaam, magnesium is een essentieel mineraal dat daadwerkelijk helpt de structurele integriteit van botten te behouden. Toch breekt het ook snel af bij blootstelling aan zuurstof, water en zouten, die allemaal in overvloed in het lichaam aanwezig zijn.

Die combinatie van vertrouwdheid en reactiviteit, Sealy zei, maakt magnesium een ​​uitstekende kandidaat om het primaire ingrediënt te worden in oplosbare schroeven, platen en andere medische implantaten die vervolgoperaties of levenslange pijn tijdens sneeuwstormen zouden kunnen elimineren.

Om magnesium lang genoeg te versterken tegen de ontberingen van het lichaam om als implantaat te dienen, Sealy begon als afgestudeerde student te experimenteren met een techniek genaamd laser shock peening.

"Dat proces staat gelijk aan het nemen van een hamer en ermee op je auto slaan, "zei hij. "Ik doe hetzelfde, behalve dat ik het doe met een laser - de laser is mijn hamer - en ik sla op het implantaat om het in wezen harder en sterker te maken."

Het laserschokstralen hielp magnesium de eerste corrosietests zo goed te doorstaan ​​dat Sealy de resultaten van zijn proefschrift begon te beschouwen als "meer-house-gegevens, omdat het zo goed was dat ik de technologie ging commercialiseren en van die resultaten een huis aan het meer zou kopen."

Sealy begon toen de langdurige corrosie van magnesiumonderdelen te testen in een vloeistof die de waterige omgeving van het lichaam simuleerde. Deze keer, de resultaten waren meer ontnuchterend:de schroeven verloren 50 procent van hun kracht na slechts een week en 80 procent na twee weken. Sealy realiseerde zich al snel dat het niet voldoende zou zijn om alleen het oppervlak van de magnesiumdelen te poetsen.

"Met dat, Ik heb 'kartonnen huisresultaten', ', gaf hij lachend toe. 'Dat was een beetje deprimerend. Maar dat was een van mijn grote drijfveren om naar Nebraska te komen. Ik realiseerde me dat als ik de degradatie van deze implantaten (niet alleen aan de buitenkant) wilde beheersen, maar gedurende de hele levensduur van het apparaat, Ik moest ergens komen met een 3D-metaalprinter waarmee ik deze magnesiumimplantaten kon printen."

Niet zomaar een 3D-printer zou het doen. Hij had toegang nodig tot het soort technologie dat nog maar net begon te ontstaan. Nebraska Engineering bood hem de mogelijkheid om te helpen bij de aankoop van drie ultramoderne 3D-printers.

Die printers elimineren vrijwel alle zuurstof, vocht en andere onzuiverheden die kunnen reageren met magnesium - een vrij zeldzame eigenschap op zich. Maar ze stellen Nebraska-ingenieurs ook in staat om componenten laag voor laag te construeren, waardoor Sealy en zijn collega's meerdere materialen kunnen verwerken of ingewikkelde interne structuren kunnen bouwen.

Het andere grote voordeel? In staat zijn om verschillende fabricagebehandelingen toe te passen, waaronder laser shock peening, op een of alle interne lagen van een onderdeel.

"Dan kan ik corrosie door deze apparaten heen beheersen, Sealy zei. "Deze benadering is in wezen een manier om je eigen mechanische eigenschappen af ​​te drukken. Het is iets waar traditionele productie nog nooit eerder toe in staat was.

"Het unieke aan onze printer is dat het de eerste is waar ze deze hybride- en reactief-printmogelijkheden daadwerkelijk hebben gecombineerd. Ik zou zeggen dat dit waarschijnlijk de meest geavanceerde productiefaciliteit voor hybride additieven ter wereld is, gewoon omdat onze apparatuur zo zeldzaam is."

Met dat niveau van maatwerk tot zijn beschikking, Sealy experimenteert nu om meerdere vragen te beantwoorden:Hoe beïnvloedt het uitharden van afzonderlijke lagen de corrosiesnelheid van een resulterend onderdeel? Wat is de optimale concentratie van magnesium versus andere metalen? Veranderen die uitkomsten op basis van welke techniek de onderdelen afdrukt?

"Dat is het leuke eraan:uitzoeken wat deze vuistregels zijn voor de verschillende printtechnologieën in verschillende materiaalsystemen, " hij zei.

uiteindelijk, Sealy zei, de print-and-peen-benadering zou hem moeten helpen bij het ontwerpen en bouwen van magnesiumimplantaten die met verschillende snelheden in het lichaam worden afgebroken. Eén model sleutelbeenplaat of kniepen kan binnen een jaar verslechteren, terwijl een ander over drie of vijf jaar zou kunnen ontbinden.

"Als je me neemt toen ik in de vijfde klas zat en mijn elleboog brak, Ik regenereerde snel nieuw botweefsel, ' zei Sealy. 'Mijn botten waren snel aan het genezen, dus ik had een implantaat nodig dat snel degradeerde. Als iemand een 75-jarige vrouw is met osteoporose die misschien haar hele leven heeft gerookt, ze regenereert niet zo snel nieuw botweefsel. Ze heeft misschien een implantaat nodig dat langzaam afbreekt. We kunnen dat doen."