3D打印醫(yī)療領(lǐng)域——內(nèi)冷骨科鉆頭

魔猴君  科技前沿   2650天前

在骨科手術(shù)中有時(shí)會(huì)需要骨鉆預(yù)選鉆孔后再用螺釘固定，或用鉆孔制造微骨折進(jìn)行關(guān)節(jié)融合術(shù)。鉆孔過(guò)程中所產(chǎn)生的熱量會(huì)對(duì)鉆頭旋轉(zhuǎn)期間周邊骨質(zhì)產(chǎn)生重要影響，還有可能引起熱源性骨壞死。為了避免此種現(xiàn)象的發(fā)生，3D打印最新制造技術(shù)——帶內(nèi)冷系統(tǒng)的顧客鉆頭，降低手術(shù)中的熱量。

骨科鉆頭與制造業(yè)或工程中所使用的鉆頭不同。骨是復(fù)雜的各向異性、多孔和粘彈性復(fù)合材料，在材料性質(zhì)及幾何形狀來(lái)說(shuō)也是非均勻的。鉆孔時(shí)約60％的熱能由骨的碎屑耗散掉。如果鉆孔內(nèi)溫度在50℃以上，就會(huì)導(dǎo)致骨壞死（骨死亡）。但溫度升高許多因素，包括鉆頭的幾何形狀，直徑，轉(zhuǎn)速等。在手術(shù)進(jìn)行的過(guò)程中要想保持低溫，就要不斷中斷鉆孔過(guò)程。

為了開(kāi)發(fā)能夠切割骨骼而不引起骨壞死的外科手術(shù)鉆頭，德國(guó)漢諾威萊比尼斯大學(xué)的生產(chǎn)工程和機(jī)床研究所（IFW）向Toolcraft公司尋求幫助，該公司是專(zhuān)注于精密零件、組件、模具和注塑件生產(chǎn)的服務(wù)型企業(yè)。

Toolcraft公司建議用選擇性激光熔化的3D打印方法來(lái)創(chuàng)建骨科鉆頭的內(nèi)部冷卻通道，來(lái)使冷卻劑沿著螺旋線流入鉆頭，并返回到刀夾，不進(jìn)入傷口。雖然鉆頭發(fā)生破損機(jī)會(huì)很小，但并不能排除這種可能。為妥善起見(jiàn)，冷卻介質(zhì)選擇了水，以確保在鉆頭發(fā)生破損的情況下不會(huì)造成傷害。

Toolcraft公司開(kāi)發(fā)了一種具有冷卻液流入和流出功能的非旋轉(zhuǎn)預(yù)主軸附件。從而使連接的冷卻液罐和泵確保連續(xù)供應(yīng)冷卻液。Toolcraft公司設(shè)計(jì)了一個(gè)直徑為6mm的常規(guī)骨科鉆頭。手術(shù)中用到的骨科麻花鉆具有各種配置和尺寸，直徑通常在0.5毫米至幾毫米之間。

Toolcraft公司和IFW在外觀上采用了常規(guī)鉆頭的幾何形狀，在鉆頭內(nèi)部設(shè)計(jì)了直徑為1.2 mm的內(nèi)部圓形冷卻通道，使熱能遠(yuǎn)離切削刃，而回流管道則確保了冷卻液的連續(xù)流動(dòng)。

項(xiàng)目開(kāi)始時(shí)，工程師根據(jù)冷卻液的體積流量、溫度變化和熱容量來(lái)計(jì)算冷卻能力，開(kāi)發(fā)出一種將封閉的冷卻回路，以確保鉆頭在操作過(guò)程中的穩(wěn)定性。此外，工程師還進(jìn)行了增材制造的研究，來(lái)確保設(shè)計(jì)的鉆頭能夠通過(guò)選擇性激光熔化工藝加工出來(lái)。

鉆頭由生物相容性材料1.4404（耐腐蝕奧氏體不銹鋼（ASTM 316 / 316L））制成。鉆頭外表和內(nèi)部冷卻通道的幾何形狀由SolidWorks建模軟件來(lái)設(shè)計(jì)，使用Siemens NX軟件進(jìn)行模擬仿真。隨后通過(guò)Concept Laser的M2增材制造設(shè)備，加工出了帶內(nèi)部冷卻通道的鉆頭。

使用直徑6 mm的鉆頭以及水作為冷卻液，IFW進(jìn)行了各種各樣的鉆孔測(cè)試，并測(cè)量人造骨和牛骨中的鉆孔操作。在測(cè)試過(guò)程中，工程師們以更高和更低的進(jìn)給速率循序漸進(jìn)的測(cè)量溫度變化情況，并嘗試測(cè)試將冷卻系統(tǒng)打開(kāi)和關(guān)閉兩種不同場(chǎng)景情況下的溫度變化情況。大量的測(cè)試結(jié)果表明，增加進(jìn)給速率可以降低鉆頭的最高溫度。

以0.35mm / rev的高進(jìn)給速度和2m / min的切割速度來(lái)加工Nylacast Polyactal（POM-C）工程塑料材料制成的人造骨，測(cè)試表明新鉆可以顯著降低溫度。在冷卻功能關(guān)閉的情況下，鉆頭由于進(jìn)給速率高而沒(méi)有超過(guò)臨界溫度為50°C（122°F），但使用內(nèi)部冷卻功能，溫度可以保持在最高35°C（95°F）的水平以下。

當(dāng)進(jìn)給速率降低到0.07mm / rev時(shí)，對(duì)于開(kāi)啟內(nèi)部冷卻功能的鉆頭，測(cè)試結(jié)果相同。對(duì)于關(guān)閉內(nèi)部冷卻功能的鉆頭，溫度在不到100秒內(nèi)升高到高于50℃（122°F）。測(cè)試表明由于內(nèi)部冷卻系統(tǒng)補(bǔ)償溫度升高的能力，即使在低進(jìn)給速度的加工情況下也不再導(dǎo)致更高的溫度，從而消除了溫度過(guò)高的風(fēng)險(xiǎn)，避免骨骼發(fā)生壞死意外。

這項(xiàng)通過(guò)3D打印制造帶內(nèi)冷的鉆頭技術(shù)還可以推廣到其他各種各樣的應(yīng)用領(lǐng)域，包括鋸的制造。

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