金屬3D打印助力精密ACL 手術(shù)器械的生產(chǎn)
膝關(guān)節(jié)前交叉韌帶（ACL）損傷是一種嚴(yán)重的損傷，恢復(fù)過程漫長而痛苦。損傷嚴(yán)重的患者需要接受ACL 修復(fù)或置換手術(shù)時。在手術(shù)時醫(yī)生首先需要將與脛骨和股骨連結(jié)的殘存韌帶移除，然后模仿人體天然韌帶的”路徑“ 植入移植韌帶。不難想象，操作這樣一臺力求精準(zhǔn)和微創(chuàng)的手術(shù)，不僅對醫(yī)生的手術(shù)水平提出了極高要求，還對手術(shù)工具提出不小的挑戰(zhàn)。
為了提升此類手術(shù)的精準(zhǔn)度，美國 DanaMed Inc公司 對ACL 手術(shù)中用到的韌帶導(dǎo)向器進(jìn)行了設(shè)計優(yōu)化，并使用金屬3D打印技術(shù)直接制造。研發(fā)團(tuán)隊在設(shè)計上進(jìn)行了哪些改進(jìn)？ 他們?yōu)槭裁催x擇了3D打印技術(shù)？本期，3D科學(xué)谷就和你一起找答案。
ACL手術(shù)工具有兩個部分組成，一部分是3D打印的韌帶導(dǎo)向器；另一部分是一個直徑2.2毫米的特殊柔性導(dǎo)向鉆。其中3D打印的韌帶導(dǎo)向器是手術(shù)工具的關(guān)鍵部分，因?yàn)樗梢宰屷t(yī)生在膝關(guān)節(jié)的外面靈活而精準(zhǔn)的操控進(jìn)入到關(guān)節(jié)內(nèi)部的導(dǎo)向針。通過這樣的手術(shù)工具，可以在膝關(guān)節(jié)微創(chuàng)的情況下開展ACL修復(fù)或置換手術(shù)。
探索膝關(guān)節(jié)的
“天然路徑”
醫(yī)生手握的手柄區(qū)域占整個韌帶導(dǎo)向器的95%，導(dǎo)向器的頂端雖然僅占5%的比例，但卻是設(shè)計優(yōu)化的重點(diǎn)區(qū)域。這是由于導(dǎo)向器的頂端在手術(shù)時將進(jìn)入到膝關(guān)節(jié)內(nèi)部，并控制導(dǎo)向鉆頭進(jìn)行手術(shù)治療，所以導(dǎo)向器的設(shè)計需要遵循人體韌帶在膝關(guān)節(jié)和肌肉中的天然“路徑”。我們可以設(shè)想一下，這種遵循天然“路徑”的設(shè)計是不是可以游刃有余的在人體組織之間“行走”呢？
然而韌帶在體內(nèi)的“路徑”錯綜復(fù)雜，遵循這種設(shè)計思路探索矯正器的設(shè)計并不容易， 對設(shè)師的在外科和工程領(lǐng)域的專業(yè)能力提出了挑戰(zhàn)。
金屬3D打印
將設(shè)計轉(zhuǎn)化為實(shí)現(xiàn)
從上圖中可以看到，遵循天然 “路徑” 設(shè)計的導(dǎo)向器頂端的槽型和角度比較復(fù)雜。制造材料是鎳基合金材料（Inconel 718 ），屬于難加工材料。如果使用機(jī)加工技術(shù)制造這種復(fù)雜形狀，需要分為多個部分、更長的制造時間、消耗更多的材料以及制造成本。使用機(jī)加工技術(shù)時，制造成本將隨著零部件復(fù)雜程度的增加而迅速上升，而使用3D打印技術(shù)對產(chǎn)品的復(fù)雜性不敏感。也就是越復(fù)雜的零部件越適合使用3D打印技術(shù)。韌帶導(dǎo)向器的設(shè)計復(fù)雜性則決定了它更適合使用3D打印技術(shù)進(jìn)行制造，以可接受的成本制造出導(dǎo)向器復(fù)雜的形狀。
研發(fā)人員選擇與美國Stratasys 直接制造服務(wù)中心合作，首先用FDM 3D打印機(jī)打印導(dǎo)向器的設(shè)計原型，進(jìn)行設(shè)計驗(yàn)證。設(shè)計方案成熟之后，使用選擇性激光熔化金屬3D打印技術(shù)制造手術(shù)工具。
尺寸：導(dǎo)向器頂端尺寸分為5.5毫米和7.7毫米兩種型號。金屬3D打印技術(shù)可以流暢、準(zhǔn)確其尺寸和形狀。
強(qiáng)度：鎳合金材料的密度為導(dǎo)向器提供了必要的強(qiáng)度和重量的平衡點(diǎn)，讓醫(yī)生可以更好的控制導(dǎo)向鉆。手柄和導(dǎo)向器頂端一體式設(shè)計，也為醫(yī)生靈活的控制手術(shù)工具提供了堅實(shí)基礎(chǔ)。
形狀：導(dǎo)向器手柄的設(shè)計符合人體工程學(xué)。導(dǎo)向器頂端部分在設(shè)計時遵循了人體韌帶的”路徑“，所以與關(guān)節(jié)解剖結(jié)構(gòu)相匹配。這些小細(xì)節(jié)都為醫(yī)生靈活、精準(zhǔn)的實(shí)施手術(shù)奠定基礎(chǔ)。
后處理：在完成3D打印之后，將進(jìn)行嚴(yán)格的后處理，包括：去除支撐結(jié)構(gòu)、表面拋光、清洗和消毒。
快速的設(shè)計迭代
雖然金屬3D打印技術(shù)在制造復(fù)雜的韌帶導(dǎo)向器時比傳統(tǒng)技術(shù)更具優(yōu)勢，但是制造過程并非一帆風(fēng)順的。在首批制造的6個韌帶導(dǎo)向器中，有5個導(dǎo)向器由于尺寸的不精確是無法投入使用的。這是由于在金屬打印完成之后金屬材料的冷卻引起了產(chǎn)品尺寸的變化。在改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計時，需要考慮到冷卻過程中的熱收縮和拋光過程對產(chǎn)品尺寸帶來的改變。
為了讓手術(shù)更加精準(zhǔn)，韌帶導(dǎo)向器的設(shè)計優(yōu)化之路似乎是永無止境的。因此即使是質(zhì)量合格的導(dǎo)向器，研發(fā)人員也會根據(jù)醫(yī)生的反饋?zhàn)鲞M(jìn)一步的設(shè)計迭代。從收集到醫(yī)生反饋意見，到進(jìn)行再次設(shè)計和3D打印，往往在一周之內(nèi)就可以拿到新的導(dǎo)向器。只要有優(yōu)化的設(shè)計方案，就可以隨時3D打印新產(chǎn)品。相比使用模具進(jìn)行制造，3D打印操作起來十分靈活。
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