{科研}金属3D打印助力精密ACL 手术器械的生产

2016年4月01日-前交叉韧带损伤是一种严重的损伤，恢复过程漫长而痛苦。严重受伤的病人需要前交叉韧带修复或替换手术。手术过程中，医生需要切除与胫骨和股骨相连的残余韧带，然后通过模仿人体天然韧带的“路径”植入移植韧带。不难想象，操作如此精准微创的手术，不仅对医生的操作水平提出了很高的要求，也对手术工具提出了很大的挑战。

为了提高这类手术的准确性，美国danamed公司对前交叉韧带手术中使用的韧带导轨进行了优化设计，采用金属3d打印技术直接制造。R&D团队在设计方面做了哪些改进？他们为什么选择3d打印技术？本期3d科学谷会和你一起找到答案。

acl手术工具由两部分组成，其中一部分是3d打印的韧带引导；另一部分是直径2.2 mm的专用柔性导向钻，其中3d打印的韧带导向器是手术工具的关键部分，因为它可以让医生灵活准确地控制导向针进入膝关节外的关节。使用这种手术工具，可以在微创膝关节的情况下进行前交叉韧带的修复或替换。

探索膝关节

“自然路径”

医生握柄面积占整个韧带引导的95%。虽然指南顶部只占5%，但却是设计优化的关键区域。这是因为导向器的顶端在手术过程中会进入膝关节，控制导向钻头进行手术治疗，所以导向器的设计要遵循人体韧带在膝关节和肌肉中的自然“路径”。我们可以想象，这种遵循自然“路径”的设计，是否能在人体组织之间“行走”自如。

但是人体内韧带的“路径”是复杂的，按照这种设计思路去探索矫正器的设计并不容易，这就对外科和工程领域的教师的专业能力提出了挑战。

金属3d打印

将设计转化为实施

从上图可以看出，遵循自然“路径”设计的导轨顶部的凹槽形状和角度是复杂的。制造材料是镍基合金材料(inconel 718)，这是一种难以加工的材料。如果用机械加工技术来制造这种复杂的形状，需要分成几个部分，制造时间更长，材料消耗更多，制造成本更高。在使用加工技术时，制造成本会随着零件复杂度的增加而快速增加，而使用3d打印技术对产品的复杂度不敏感。就是零件越复杂越适合使用3d打印技术。韧带导向器的设计复杂性决定了它更适合用3d打印技术制造，而且导向器的复杂形状可以以可接受的成本制造。

R&D人员选择与美国的stratasys直接制造服务中心合作。首先，使用fdm 3d打印机打印导向器的设计原型，以进行设计验证。设计成熟后，采用选择性激光熔化金属3d打印技术制造手术工具。

尺寸:导轨顶端的尺寸分为5.5毫米和7.7毫米两种型号。金属3d打印技术可以使其尺寸和形状平滑准确。

【/s2/】强度:【/s2/】镍合金材料的密度为导向钻提供了强度和重量之间的必要平衡，使医生能够更好地控制导向钻。手柄和导轨顶部的一体化设计也为医生灵活控制手术工具提供了坚实的基础。

形状:导向手柄的设计符合人体工程学。引导器的顶部在设计上遵循人体韧带的“路径”，因此与关节的解剖结构相匹配。这些小细节为医生灵活准确地进行手术奠定了基础。

【/s2/】后处理:【/S2/】3d打印完成后，会进行严格的后处理，包括:去除支撑结构、表面抛光、清洗消毒。

快速设计迭代

虽然金属3d打印技术在制造复杂韧带导轨方面比传统技术有优势，但制造过程并不顺利。在第一批生产的六个韧带导轨中，有五个由于尺寸不准确而无法投入使用。这是因为金属印刷完成后金属材料的冷却导致产品尺寸的变化。在改进产品设计时，需要考虑冷却和抛光过程中热收缩引起的产品尺寸变化。

为了使操作更精确，韧带导轨的设计优化似乎层出不穷。因此，即使是合格的指导者，R&D人员也会根据医生的反馈进行进一步的设计迭代。从收集医生反馈到重新设计和3d打印，一周内可以获得新的指南。只要有优化的设计方案，新产品随时可以3d打印。与使用模具制造相比，3d打印的操作非常灵活。