洞悉如何通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)更先進(jìn)的3D打印金屬植入物

魔猴君  行業(yè)資訊   1003天前

3D打印在植入物方面可以發(fā)揮的優(yōu)勢(shì)是，通過(guò)采用正確的設(shè)計(jì)，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(dòng)化”的建模方式。

“自動(dòng)化”的建模成就更好的植入物

上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院郝永強(qiáng)表示，理論上來(lái)講，每次治療都應(yīng)是個(gè)性化的,但目前并不是所有患者都有那么高的個(gè)性化要求，目前多數(shù)骨科手術(shù)中使用的是標(biāo)準(zhǔn)化植入物。3D打印個(gè)性化植入物主要用于解決傳統(tǒng)手術(shù)無(wú)法解決的問(wèn)題，以及滿(mǎn)足高端醫(yī)療需求。比如說(shuō)，在骨腫瘤修復(fù)手術(shù)中個(gè)性化3D打印植入物能夠滿(mǎn)足傳統(tǒng)方式所不能滿(mǎn)足的需求，對(duì)于醫(yī)生與患者來(lái)說(shuō)是剛性需求。3D打印個(gè)性化植入物作為一種新技術(shù)將在很長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)與傳統(tǒng)技術(shù)共存，在剛需病例的基礎(chǔ)上進(jìn)行長(zhǎng)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(jì)

喬布斯(Steve Jobs)曾經(jīng)說(shuō)過(guò)，21世紀(jì)最好的創(chuàng)新是將生物學(xué)與技術(shù)相交叉。

在設(shè)計(jì)航空航天、醫(yī)療產(chǎn)品或汽車(chē)部件時(shí)，此前人類(lèi)可能從未想過(guò)向螞蟻和尋光植物細(xì)胞尋求建議，但如果使用創(chuàng)成式設(shè)計(jì)軟件來(lái)塑造零件的設(shè)計(jì)，不過(guò)這一切已經(jīng)不是夢(mèng)想，實(shí)際上已經(jīng)在做了。根據(jù)據(jù)悉，軟件方面，當(dāng)前在3D打印領(lǐng)域，提到最多的可能是拓?fù)鋬?yōu)化，而不是創(chuàng)成式設(shè)計(jì)。雖然很多場(chǎng)合二者都是混為一談的，但細(xì)究起來(lái)創(chuàng)成式設(shè)計(jì)（Generative Design）是根據(jù)一些起始參數(shù)通過(guò)迭代并調(diào)整來(lái)找到優(yōu)化的模型。拓?fù)鋬?yōu)化（Topology Optimization）是對(duì)給定的模型進(jìn)行分析，常見(jiàn)的是根據(jù)邊界條件進(jìn)行有限元分析，然后對(duì)模型變形或刪減來(lái)進(jìn)行優(yōu)化。

創(chuàng)成式設(shè)計(jì)應(yīng)用在醫(yī)療植入物領(lǐng)域的一個(gè)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(guò)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(zhǎng)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?yàn)椴牧媳冉饘賱傂孕?，但也是多孔的。?/span>NuVasive的研究表明，采用正確的設(shè)計(jì)，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(qiáng)大。但是如何在保持這種強(qiáng)度的同時(shí)使它變得多孔而且更加接近人體骨骼的真實(shí)狀態(tài)？NuVasive嘗試了創(chuàng)成式設(shè)計(jì)軟件。

創(chuàng)成式設(shè)計(jì)的過(guò)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(jì)算機(jī)建模不僅快速，而且可以破除一些思維的束縛，人類(lèi)對(duì)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(shí)現(xiàn)。

設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)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(jì)作品。

為什么我們需要將生物學(xué)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(jì)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(qiáng)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(gè)過(guò)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(dòng)著設(shè)計(jì)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(jì)中來(lái)。而這將使得未來(lái)，人們對(duì)具有微觀轉(zhuǎn)變的材料產(chǎn)生濃厚興趣。

創(chuàng)成式設(shè)計(jì)將激發(fā)設(shè)計(jì)師通過(guò)手動(dòng)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(jì)作品。3D打印技術(shù)由于可以將復(fù)雜的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)，注定已成為創(chuàng)成式設(shè)計(jì)的“好伙伴”。

在據(jù)悉看來(lái)，在所有創(chuàng)造價(jià)值的源頭，在所有可能顛覆的源頭，算法無(wú)疑是最重要的部分之一。當(dāng)前含有創(chuàng)成式功能的設(shè)計(jì)軟件包括：Autodesk的Fusion 360，西門(mén)子的NX，PTC的Creo Generative Design創(chuàng)成式設(shè)計(jì)，?？怂箍?/span>MSC軟件的MSC Apex創(chuàng)成式設(shè)計(jì)，nTopology的nTop平臺(tái)，ELISE，Desktop Metal的Live Parts，ParaMatters等。

拿nTopology的nTop平臺(tái)舉例。

©nTopology

nTop基于隱式建模，這種實(shí)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(huì)破壞系統(tǒng)，nTopology使用戶(hù)可以完全控制創(chuàng)成工作流、優(yōu)化過(guò)程及其輸出的各個(gè)方面。創(chuàng)建可重用的工作流，以滿(mǎn)足用戶(hù)的應(yīng)用程序的獨(dú)特要求。

自1970年代首次開(kāi)發(fā)b-reps系統(tǒng)以來(lái)，計(jì)算機(jī)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(gè)CPU和以及強(qiáng)大的GPU，處理數(shù)據(jù)的能力大大增強(qiáng)。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(shí)現(xiàn)。而nTop則可以同時(shí)運(yùn)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(jiàn)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(jì)的發(fā)展現(xiàn)狀的更多信息，請(qǐng)參考據(jù)悉發(fā)布的《讓計(jì)算機(jī)自動(dòng)設(shè)計(jì)復(fù)雜產(chǎn)品，一文洞見(jiàn)創(chuàng)成式設(shè)計(jì)的最新發(fā)展》。

拓?fù)鋬?yōu)化

美敦力耿芳表示，很多3D打印標(biāo)準(zhǔn)化植入物獲得了FDA的認(rèn)證，3D打印技術(shù)在制造多孔結(jié)構(gòu)、拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)等復(fù)雜結(jié)構(gòu)中具有優(yōu)勢(shì)，可以說(shuō)3D打印技術(shù)在標(biāo)準(zhǔn)件制造的應(yīng)用也是必然趨勢(shì)。

由于骨骼和植入物的彈性模量不匹配，臨床上經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力屏蔽，從而導(dǎo)致植入物失效或植入物周?chē)墓钦?。拓?fù)鋬?yōu)化（TO）是一種在特殊載荷和邊界條件下根據(jù)目標(biāo)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?fù)鋬?yōu)化以?xún)?yōu)化骨科植入物的設(shè)計(jì)。由于增材制造(AM)的發(fā)展，可以制造拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

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

拓?fù)鋬?yōu)化的植入物比堅(jiān)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(shí)為植入者保持輕便和舒適。

下圖顯示了實(shí)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(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院史俊表示，醫(yī)學(xué)學(xué)科不同，對(duì)于個(gè)性化的需求程度也是不同的，但個(gè)性化是個(gè)大趨勢(shì)。口腔頜面外科對(duì)于個(gè)性化要求高，九院頜面外科在2012年后已經(jīng)100%采用個(gè)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(lái)，金屬晶格結(jié)構(gòu)與增材制造技術(shù)的結(jié)合受到越來(lái)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(gè)行業(yè)的可靠性，對(duì)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(jìn)一步的理解。

由于使用功能梯度開(kāi)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(lái)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(diǎn)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(zhǎng)提供了生物材料錨固效應(yīng)。

但目前常見(jiàn)的多孔設(shè)計(jì)方式并非是十全十美的，因?yàn)樵S多醫(yī)療設(shè)備需要足夠的剛度模量和抗壓強(qiáng)度，植入物的骨整合性能和機(jī)械性能之間可能需要進(jìn)行折衷，通過(guò)降低骨整合的性能來(lái)改善機(jī)械性能，反之亦然。

植入物設(shè)計(jì)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(jì)的結(jié)構(gòu)，它們既具有高強(qiáng)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(guò)增材制造提升骨科植入物的壽命提供了新的設(shè)計(jì)優(yōu)化思路。

ITPMS的優(yōu)勢(shì)

類(lèi)似于皮質(zhì)或小梁骨的剛度；

孔隙率-抗壓強(qiáng)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(qiáng)度，同時(shí)提供足夠的孔隙度以實(shí)現(xiàn)骨整合;

選擇性各向異性，從而實(shí)現(xiàn)特定方向的機(jī)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(guò)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(guò)通過(guò)PBF制造保護(hù)TPMS設(shè)計(jì)元素的骨科植入物過(guò)程還是充滿(mǎn)挑戰(zhàn)的，通常來(lái)說(shuō)，3D打印過(guò)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(dāng)切片的三角形數(shù)量過(guò)多時(shí)，三角形的數(shù)量會(huì)變得非常龐大，處理如此大量的三角形將占用過(guò)多的計(jì)算機(jī)內(nèi)存和時(shí)間，導(dǎo)致無(wú)法在計(jì)算機(jī)上正常運(yùn)行。當(dāng)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(shí)，情況就更糟了。由于這些原因，需要一種新的計(jì)算流水線(xiàn)來(lái)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(guò)無(wú)STL的概念解決效率問(wèn)題，涵蓋設(shè)計(jì)和制造的兩個(gè)方面。具體來(lái)說(shuō)，論文將設(shè)計(jì)的隱式實(shí)體建模與制造的直接切片無(wú)縫集成。

通過(guò)隱式建模，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的幾何圖形高效建模，沒(méi)有任何與STL相關(guān)的表示；通過(guò)直接切片，可以直接從隱式幾何圖形生成激光路徑，而無(wú)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(chǔ)器和時(shí)間消耗。在論文中的實(shí)驗(yàn)中，基于3級(jí)TPMS的復(fù)雜晶格，內(nèi)存使用量已減少到100MB，平均計(jì)算時(shí)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(gè)級(jí)別的多尺度TPMS和骨骼支架。通過(guò)光學(xué)顯微鏡研究了TPMS的壁厚和粗糙度，顯示出高打印精度（達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)格）和低粗糙度（Ra～3）。與傳統(tǒng)的PBF工藝相比，可以實(shí)現(xiàn)μm級(jí)精度）。

整體化解決方案

當(dāng)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(shuō)揭示的，增材制造技術(shù)不是萬(wàn)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(xì)結(jié)構(gòu)稍顯不足；金屬晶格結(jié)構(gòu)往往需要經(jīng)過(guò)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(duì)性的表面處理技術(shù)。

一個(gè)典型的案例是GF加工方案與3D Systems所打造的工廠(chǎng)自動(dòng)化的新概念，包括增材制造零件設(shè)計(jì)軟件，3D打印機(jī)，材料和自動(dòng)化材料處理，放電加工（EDM）設(shè)備，銑削設(shè)備以及其他先進(jìn)后處理技術(shù)。拿人體的骨科植入物的加工來(lái)說(shuō)，在增材制造的過(guò)程中，直接在3D打印過(guò)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(guò)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。

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