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洞悉如何通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)更先

發(fā)布時(shí)間：2022-07-21 19:03:56瀏覽：7029點(diǎn)贊：

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。

、

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。彩嵌嗫椎?div id="jpandex" class="focus-wrap mb20 cf">。?/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。

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”

。

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

。

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?div id="jpandex" class="focus-wrap mb20 cf">。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

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)

?div id="jpandex" class="focus-wrap mb20 cf">？谇活M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

。

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

。

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》

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。

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，再也不

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