洞悉如何通過設計實現更先進的3D打印金屬植入物

魔猴君  行業(yè)資訊   1002天前

3D打印在植入物方面可以發(fā)揮的優(yōu)勢是，通過采用正確的設計，種植體可以模制成更接近人體骨骼的形狀和硬度。而有趣的是為了更加接近人體骨骼的形狀和硬度，可以采用更為“自動化”的建模方式。

“自動化”的建模成就更好的植入物

上海交通大學醫(yī)學院附屬第九人民醫(yī)院郝永強表示，理論上來講，每次治療都應是個性化的,但目前并不是所有患者都有那么高的個性化要求，目前多數骨科手術中使用的是標準化植入物。3D打印個性化植入物主要用于解決傳統(tǒng)手術無法解決的問題，以及滿足高端醫(yī)療需求。比如說，在骨腫瘤修復手術中個性化3D打印植入物能夠滿足傳統(tǒng)方式所不能滿足的需求，對于醫(yī)生與患者來說是剛性需求。3D打印個性化植入物作為一種新技術將在很長時期內與傳統(tǒng)技術共存，在剛需病例的基礎上進行長期積累、總結后，將逐漸取代傳統(tǒng)的技術。

創(chuàng)成式設計

喬布斯(Steve Jobs)曾經說過，21世紀最好的創(chuàng)新是將生物學與技術相交叉。

在設計航空航天、醫(yī)療產品或汽車部件時，此前人類可能從未想過向螞蟻和尋光植物細胞尋求建議，但如果使用創(chuàng)成式設計軟件來塑造零件的設計，不過這一切已經不是夢想，實際上已經在做了。根據據悉，軟件方面，當前在3D打印領域，提到最多的可能是拓撲優(yōu)化，而不是創(chuàng)成式設計。雖然很多場合二者都是混為一談的，但細究起來創(chuàng)成式設計（Generative Design）是根據一些起始參數通過迭代并調整來找到優(yōu)化的模型。拓撲優(yōu)化（Topology Optimization）是對給定的模型進行分析，常見的是根據邊界條件進行有限元分析，然后對模型變形或刪減來進行優(yōu)化。

創(chuàng)成式設計應用在醫(yī)療植入物領域的一個經典案例是加利福尼亞州的醫(yī)療公司NuVasive創(chuàng)建了珊瑚狀的脊柱植入物，由鈦制成，精確地放在兩塊椎骨之間。通過模仿人體骨骼的多孔性和硬度，它可以加速手術后的骨骼生長與康復。

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脊柱外科醫(yī)生通常使用由高性能塑料制成的植入物，因為材料比金屬剛性小，但也是多孔的。但NuVasive的研究表明，采用正確的設計，鈦可以塑造成更接近人體骨骼的形狀和硬度–與塑料相比更強大。但是如何在保持這種強度的同時使它變得多孔而且更加接近人體骨骼的真實狀態(tài)？NuVasive嘗試了創(chuàng)成式設計軟件。

創(chuàng)成式設計的過程是這樣的，NuVasive將約束條件（如種植體的重量和多孔性）設置到軟件中，然后要求該算法提供適合該約束條件的建模解決方案。計算機建模不僅快速，而且可以破除一些思維的束縛，人類對很多事物都有著先入為主的觀念，這使得原創(chuàng)想法并不容易實現。

設計人員在設計中用到了Autodesk的Dreamcatcher程序，創(chuàng)造出擁有不尋常的復雜幾何結構設計作品。

為什么我們需要將生物學的概念引入制造中呢？大自然創(chuàng)造的生物結構巧妙而復雜，人們如何將這些大自然的作品“復制”到工業(yè)制造中呢？日益發(fā)展的智能化設計軟件與3D打印技術為我們提供了一條創(chuàng)造仿生結構的捷徑。

大自然的很多材料具有很強的適應性，而人造材料則不然。鋼始終致密；陶瓷易碎，塑料有彈性。由這些制成的零件在整個過程中都表現出源材料的屬性。另一方面，大自然中的很多物體出于多種目的在不同區(qū)域表現出適應性密度、彈性和脆性（例如肌肉、靜脈和骨骼的組合）。

這驅動著設計者探索如何將大自然的材料在彈性、密度和脆性方面不斷變化的能力引入到產品的設計中來。而這將使得未來，人們對具有微觀轉變的材料產生濃厚興趣。

創(chuàng)成式設計將激發(fā)設計師通過手動建模不易獲得的思想靈感，創(chuàng)造出擁有不尋常的復雜幾何結構設計作品。3D打印技術由于可以將復雜的設計轉化為現實，注定已成為創(chuàng)成式設計的“好伙伴”。

在據悉看來，在所有創(chuàng)造價值的源頭，在所有可能顛覆的源頭，算法無疑是最重要的部分之一。當前含有創(chuàng)成式功能的設計軟件包括：Autodesk的Fusion 360，西門子的NX，PTC的Creo Generative Design創(chuàng)成式設計，海克斯康MSC軟件的MSC Apex創(chuàng)成式設計，nTopology的nTop平臺，ELISE，Desktop Metal的Live Parts，ParaMatters等。

拿nTopology的nTop平臺舉例。

©nTopology

nTop基于隱式建模，這種實現3D形狀的方式比傳統(tǒng)CAD文件快數千倍，文件更小，而且復雜性不會破壞系統(tǒng)，nTopology使用戶可以完全控制創(chuàng)成工作流、優(yōu)化過程及其輸出的各個方面。創(chuàng)建可重用的工作流，以滿足用戶的應用程序的獨特要求。

自1970年代首次開發(fā)b-reps系統(tǒng)以來，計算機硬件領域已經發(fā)生了巨大的變化。電腦現在配有多個CPU和以及強大的GPU，處理數據的能力大大增強。但由于B-reps算法包含很多特例性的分支，導致其并不適合在GPU上實現。而nTop則可以同時運用這兩者，隨著游戲行業(yè)的蓬勃發(fā)展，GPU的性能也得到了迅速發(fā)展，可以預見nTop和隱式建模的前景是非常廣闊的。

關于創(chuàng)成式設計的發(fā)展現狀的更多信息，請參考據悉發(fā)布的《讓計算機自動設計復雜產品，一文洞見創(chuàng)成式設計的最新發(fā)展》。

拓撲優(yōu)化

美敦力耿芳表示，很多3D打印標準化植入物獲得了FDA的認證，3D打印技術在制造多孔結構、拓撲優(yōu)化結構等復雜結構中具有優(yōu)勢，可以說3D打印技術在標準件制造的應用也是必然趨勢。

由于骨骼和植入物的彈性模量不匹配，臨床上經常會出現應力屏蔽，從而導致植入物失效或植入物周圍的骨折。拓撲優(yōu)化（TO）是一種在特殊載荷和邊界條件下根據目標函數提供更有效材料分布的技術。一些研究人員密切關注拓撲優(yōu)化以優(yōu)化骨科植入物的設計。由于增材制造(AM)的發(fā)展，可以制造拓撲優(yōu)化設計的復雜結構。

©The advances of topology optimization techniques in orthopedic implants:A review

拓撲優(yōu)化的植入物比堅固的鈦骨頭要好。植入物中的小梁允許一定程度的彎曲，同時為植入者保持輕便和舒適。

下圖顯示了實心鈦股骨植入物和全多孔3D打印鈦股骨植入物之間的骨質流失差異。

©Journal of Orthopaedic Research

TMPS、晶格與梯度材料

上海交通大學醫(yī)學院附屬第九人民醫(yī)院史俊表示，醫(yī)學學科不同，對于個性化的需求程度也是不同的，但個性化是個大趨勢。口腔頜面外科對于個性化要求高，九院頜面外科在2012年后已經100%采用個性化治療。3D打印技術在頜面外科手術規(guī)劃、手術治療中的應用是剛性需求。

近十年來，金屬晶格結構與增材制造技術的結合受到越來越多的關注。為了確保增材制造技術制備的金屬晶格結構在各個行業(yè)的可靠性，對其建模、優(yōu)化、材料、工藝參數、結構以及性能之間的關系仍需要進一步的理解。

由于使用功能梯度開孔多孔金屬生產骨科植入物的可能性，增材制造技術越來越引起植入物制造領域的關注。金屬3D打印被應用于制造骨科植入物的主要目的是模仿骨骼的復雜結構，以增加植入物的骨整合。多孔材料的主要優(yōu)點是減少了骨骼與植入物合金之間的彈性模量不匹配，減輕了應力屏蔽效果并改善了植入物的形態(tài)，為組織向內生長提供了生物材料錨固效應。

但目前常見的多孔設計方式并非是十全十美的，因為許多醫(yī)療設備需要足夠的剛度模量和抗壓強度，植入物的骨整合性能和機械性能之間可能需要進行折衷，通過降低骨整合的性能來改善機械性能，反之亦然。

植入物設計中所采用的代表性TPMS結構-螺旋（gyroid）是一種的典型的為增材制造而設計的結構，它們既具有高強度重量比，又具有非常高的表面積質量比，TPMS結構在3D打印骨科植入物中的應用，為通過增材制造提升骨科植入物的壽命提供了新的設計優(yōu)化思路。

ITPMS的優(yōu)勢

類似于皮質或小梁骨的剛度；

孔隙率-抗壓強度比，允許植入物宏觀結構保持足以執(zhí)行植入物功能的抗壓強度，同時提供足夠的孔隙度以實現骨整合;

選擇性各向異性，從而實現特定方向的機械性能；

高表面積-體積比，從而在不犧牲孔隙率的情況下減小植入物的尺寸/重量；

平均曲率為零，從而降低了應力集中，在制造過程中提供了自支撐以及恒定橫截面的彎曲植入物表面。

不過通過PBF制造保護TPMS設計元素的骨科植入物過程還是充滿挑戰(zhàn)的，通常來說，3D打印過程首先將給定的CAD模型轉換為立體光刻（STL）格式的網格表示，然后將網格切成一系列平面輪廓，最后生成激光路徑以填充這些輪廓。但是，當切片的三角形數量過多時，三角形的數量會變得非常龐大，處理如此大量的三角形將占用過多的計算機內存和時間，導致無法在計算機上正常運行。當要打印的零件具有高度復雜的內部結構（例如，三重周期性最小表面（TPMS））時，情況就更糟了。由于這些原因，需要一種新的計算流水線來解決因處理PBF 3D打印技術在處理高度復雜的結構而引起的效率挑戰(zhàn)。

據悉，《STL-free design and manufacturing paradigm for high-precision powder bed fusion》論文中通過無STL的概念解決效率問題，涵蓋設計和制造的兩個方面。具體來說，論文將設計的隱式實體建模與制造的直接切片無縫集成。

通過隱式建模，可以實現復雜的幾何圖形高效建模，沒有任何與STL相關的表示；通過直接切片，可以直接從隱式幾何圖形生成激光路徑，而無需任何與STL網格相關的中間步驟。然后，可以顯著減少存儲器和時間消耗。在論文中的實驗中，基于3級TPMS的復雜晶格，內存使用量已減少到100MB，平均計算時間約為1s/slice。

©《STL-free design and manufacturing paradigm for high-precision powder bed fusion》

如圖所示，打印了3個級別的多尺度TPMS和骨骼支架。通過光學顯微鏡研究了TPMS的壁厚和粗糙度，顯示出高打印精度（達到設計規(guī)格）和低粗糙度（Ra～3）。與傳統(tǒng)的PBF工藝相比，可以實現μm級精度）。

整體化解決方案

當然，正如《中澳聯(lián)合綜述-金屬晶格結構的增材制造》一文說揭示的，增材制造技術不是萬能的，在制備金屬晶格結構方面仍然存在一些限制和挑戰(zhàn)。例如增材制造制備金屬的晶格結構具有較高的表面粗糙度，需要先減小表面粗糙度才能投入使用；粉末床熔融金屬3D打印技術通常需要在特定的氣氛腔中加工，所以加工的工件一般體積不大；而直接能量沉積和熔融沉積成型精度稍低，加工精細結構稍顯不足；金屬晶格結構往往需要經過表面處理后才具備更好的表面功能性，但由于金屬晶格結構復雜，目前尚未有針對性的表面處理技術。

一個典型的案例是GF加工方案與3D Systems所打造的工廠自動化的新概念，包括增材制造零件設計軟件，3D打印機，材料和自動化材料處理，放電加工（EDM）設備，銑削設備以及其他先進后處理技術。拿人體的骨科植入物的加工來說，在增材制造的過程中，直接在3D打印過程中構建在用于后處理加工中銑削作業(yè)便于夾緊的工裝板上，方便了從不同設備的加工轉換過程中夾具夾緊的精確定位。

在這方面，需要更多的3D打印生態(tài)圈的合作，為3D打印在骨科方面的發(fā)展提供一站式的集成的增材制造解決方案。

來源：https://www.3ddayin.net/xinwenpindao/shichangyanjiu/41774.html