洞悉如何通過設(shè)計實現(xiàn)更先進的3D打印金屬植入物

魔猴君  行業(yè)資訊   998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(shè)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(yīng)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(shù)骨科手術(shù)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(shù)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(fù)手術(shù)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(shù)將在很長時期內(nèi)與傳統(tǒng)技術(shù)共存，在剛需病例的基礎(chǔ)上進行長期積累、總結(jié)后，將逐漸取代傳統(tǒng)的技術(shù)。

創(chuàng)成式設(shè)計

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

在設(shè)計航空航天、醫(yī)療產(chǎn)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(shè)計軟件來塑造零件的設(shè)計，不過這一切已經(jīng)不是夢想，實際上已經(jīng)在做了。根據(jù)據(jù)悉，軟件方面，當前在3D打印領(lǐng)域，提到最多的可能是拓撲優(yōu)化，而不是創(chuàng)成式設(shè)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(shè)計（Generative Design）是根據(jù)一些起始參數(shù)通過迭代并調(diào)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(jù)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(shè)計應(yīng)用在醫(yī)療植入物領(lǐng)域的一個經(jīng)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(shù)后的骨骼生長與康復(fù)。

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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(shè)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(shè)計軟件。

創(chuàng)成式設(shè)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(shè)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(xiàn)。

設(shè)計人員在設(shè)計中用到了Autodesk的Dreamcatcher程序，創(chuàng)造出擁有不尋常的復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)巧妙而復(fù)雜，人們?nèi)绾螌⑦@些大自然的作品“復(fù)制”到工業(yè)制造中呢？日益發(fā)展的智能化設(shè)計軟件與3D打印技術(shù)為我們提供了一條創(chuàng)造仿生結(jié)構(gòu)的捷徑。

大自然的很多材料具有很強的適應(yīng)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(xiàn)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(xiàn)出適應(yīng)性密度、彈性和脆性（例如肌肉、靜脈和骨骼的組合）。

這驅(qū)動著設(shè)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(chǎn)品的設(shè)計中來。而這將使得未來，人們對具有微觀轉(zhuǎn)變的材料產(chǎn)生濃厚興趣。

創(chuàng)成式設(shè)計將激發(fā)設(shè)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(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計作品。3D打印技術(shù)由于可以將復(fù)雜的設(shè)計轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實，注定已成為創(chuàng)成式設(shè)計的“好伙伴”。

在據(jù)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(shè)計軟件包括：Autodesk的Fusion 360，西門子的NX，PTC的Creo Generative Design創(chuàng)成式設(shè)計，海克斯康MSC軟件的MSC Apex創(chuàng)成式設(shè)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(xiàn)3D形狀的方式比傳統(tǒng)CAD文件快數(shù)千倍，文件更小，而且復(fù)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(yīng)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(lǐng)域已經(jīng)發(fā)生了巨大的變化。電腦現(xiàn)在配有多個CPU和以及強大的GPU，處理數(shù)據(jù)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(dǎo)致其并不適合在GPU上實現(xiàn)。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(yù)見nTop和隱式建模的前景是非常廣闊的。

關(guān)于創(chuàng)成式設(shè)計的發(fā)展現(xiàn)狀的更多信息，請參考據(jù)悉發(fā)布的《讓計算機自動設(shè)計復(fù)雜產(chǎn)品，一文洞見創(chuàng)成式設(shè)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(shù)在制造多孔結(jié)構(gòu)、拓撲優(yōu)化結(jié)構(gòu)等復(fù)雜結(jié)構(gòu)中具有優(yōu)勢，可以說3D打印技術(shù)在標準件制造的應(yīng)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(jīng)常會出現(xiàn)應(yīng)力屏蔽，從而導(dǎo)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(jù)目標函數(shù)提供更有效材料分布的技術(shù)。一些研究人員密切關(guān)注拓撲優(yōu)化以優(yōu)化骨科植入物的設(shè)計。由于增材制造(AM)的發(fā)展，可以制造拓撲優(yōu)化設(shè)計的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

©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(zhì)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(jīng)100%采用個性化治療。3D打印技術(shù)在頜面外科手術(shù)規(guī)劃、手術(shù)治療中的應(yīng)用是剛性需求。

近十年來，金屬晶格結(jié)構(gòu)與增材制造技術(shù)的結(jié)合受到越來越多的關(guān)注。為了確保增材制造技術(shù)制備的金屬晶格結(jié)構(gòu)在各個行業(yè)的可靠性，對其建模、優(yōu)化、材料、工藝參數(shù)、結(jié)構(gòu)以及性能之間的關(guān)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(chǎn)骨科植入物的可能性，增材制造技術(shù)越來越引起植入物制造領(lǐng)域的關(guān)注。金屬3D打印被應(yīng)用于制造骨科植入物的主要目的是模仿骨骼的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，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(yīng)力屏蔽效果并改善了植入物的形態(tài)，為組織向內(nèi)生長提供了生物材料錨固效應(yīng)。

但目前常見的多孔設(shè)計方式并非是十全十美的，因為許多醫(yī)療設(shè)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(shè)計中所采用的代表性TPMS結(jié)構(gòu)-螺旋（gyroid）是一種的典型的為增材制造而設(shè)計的結(jié)構(gòu)，它們既具有高強度重量比，又具有非常高的表面積質(zhì)量比，TPMS結(jié)構(gòu)在3D打印骨科植入物中的應(yīng)用，為通過增材制造提升骨科植入物的壽命提供了新的設(shè)計優(yōu)化思路。

ITPMS的優(yōu)勢

類似于皮質(zhì)或小梁骨的剛度；

孔隙率-抗壓強度比，允許植入物宏觀結(jié)構(gòu)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(xiàn)骨整合;

選擇性各向異性，從而實現(xiàn)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(yīng)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(shè)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(zhuǎn)換為立體光刻（STL）格式的網(wǎng)格表示，然后將網(wǎng)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(shù)量過多時，三角形的數(shù)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(nèi)存和時間，導(dǎo)致無法在計算機上正常運行。當要打印的零件具有高度復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（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(shù)在處理高度復(fù)雜的結(jié)構(gòu)而引起的效率挑戰(zhàn)。

據(jù)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(shè)計和制造的兩個方面。具體來說，論文將設(shè)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(xiàn)復(fù)雜的幾何圖形高效建模，沒有任何與STL相關(guān)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(wǎng)格相關(guān)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(fù)雜晶格，內(nèi)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(shè)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(xiàn)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(jié)構(gòu)的增材制造》一文說揭示的，增材制造技術(shù)不是萬能的，在制備金屬晶格結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shù)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(jié)構(gòu)稍顯不足；金屬晶格結(jié)構(gòu)往往需要經(jīng)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(jié)構(gòu)復(fù)雜，目前尚未有針對性的表面處理技術(shù)。

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(shè)計軟件，3D打印機，材料和自動化材料處理，放電加工（EDM）設(shè)備，銑削設(shè)備以及其他先進后處理技術(shù)。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(gòu)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(shè)備的加工轉(zhuǎn)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