3D打印內(nèi)冷骨科鉆頭以避免骨壞死

骨科手術(shù)中常常需要骨鉆預(yù)先鉆孔后再置入螺釘固定，或者鉆孔制造微骨折進行關(guān)節(jié)融合術(shù),。鉆頭鉆孔過程中所產(chǎn)生的熱量可對周圍骨質(zhì)產(chǎn)生重要影響,，甚至引起熱源性骨壞死。為了避免熱源性骨壞死,，最新的制造技術(shù)包括通過3D打印帶內(nèi)冷系統(tǒng)的骨科鉆頭來降低手術(shù)過程中的熱量,。接下來我們共同來領(lǐng)略3D打印技術(shù)為降低醫(yī)療手術(shù)風險所做出的貢獻。

骨科鉆頭的操作環(huán)境是非常獨特的,，與制造中所使用的工程鉆頭或傳統(tǒng)的非生物工程如建筑行業(yè)所使用的鉆頭要求非常不同,。根據(jù)3D科學谷的市場研究，骨是復(fù)雜的各向異性,、多孔和粘彈性復(fù)合材料,，在材料性質(zhì)以及幾何形狀上也是非均勻的。皮質(zhì)骨是相對較差的熱導(dǎo)體,，據(jù)估計,，在鉆孔過程中大約60％的熱能可以通過骨碎片耗散掉。而在金屬切削鉆孔加工中,，約80％的熱量通過斷屑帶走,。

如果溫度升高到50℃以上，這可能導(dǎo)致骨壞死（死亡）,。溫度升高的大小由許多因素決定,，包括鉆頭幾何形狀、直徑,、轉(zhuǎn)速,、進給速度,、軸向推力、初始鉆頭溫度以及內(nèi)部或外部冷卻等,。為了保持低溫,，通常在進行手術(shù)的過程中，即鉆孔過程被不斷地中斷,，以便使溫度盡可能低,。

冷卻鉆孔是不中斷手術(shù)過程更好的解決辦法，但需要保證內(nèi)部冷卻系統(tǒng)是閉環(huán)進行的,，根據(jù)市場研究,，由于冷卻方法可能會導(dǎo)致冷卻流體進入到傷口中，所以需要避免使用開放型的冷卻系統(tǒng),。

創(chuàng)建內(nèi)部冷卻通道

為了開發(fā)能夠切割骨骼而不引起熱誘導(dǎo)的骨壞死的外科手術(shù)鉆頭,，德國漢諾威萊比尼斯大學的生產(chǎn)工程和機床研究所（IFW）轉(zhuǎn)向了Toolcraft公司尋求幫助，這是一家專注于精密零件,、組件,、模具和注塑件生產(chǎn)的服務(wù)型企業(yè)。

Toolcraft公司建議通過選擇性激光熔化的3D打印方法來創(chuàng)建骨科鉆頭的內(nèi)部冷卻通道,，以使冷卻劑沿著螺旋線流入鉆頭,，并返回到刀夾，而不會進入傷口,。雖然鉆頭發(fā)生破損的機會很小,，但并不能排除這種可能性。為了妥善起見,，冷卻介質(zhì)選擇了水,，以確保在鉆頭發(fā)生破損的情況下不會造成傷害。

Toolcraft公司開發(fā)了一種具有冷卻液流入和流出功能的非旋轉(zhuǎn)預(yù)主軸附件,。從而使連接的冷卻液罐和泵確保連續(xù)供應(yīng)冷卻液,。
Toolcraft公司建模了一個直徑為6mm的常規(guī)骨科鉆頭。手術(shù)中用到的骨科麻花鉆具有各種配置和尺寸,，直徑通常在0.5毫米至幾毫米之間,。根據(jù)Toolcraft，目前可以使用選擇性激光熔化加工工藝來生產(chǎn)的鉆頭直徑需要大于5mm,。

Toolcraft公司和IFW在外觀上采用了常規(guī)鉆頭的幾何形狀,，對于醫(yī)生來說它看起來跟普通的鉆頭一樣，從而更容易適應(yīng)這種新的鉆頭工具,。在鉆頭的內(nèi)部設(shè)計了直徑為1.2 mm的內(nèi)部圓形冷卻通道從而使熱能遠離切削刃,，而回流管道則確保了冷卻液的連續(xù)流動。

在項目開始時,，工程師根據(jù)冷卻液的體積流量,、溫度變化和熱容量來計算冷卻能力,。然后，項目團隊開發(fā)了一種將封閉的冷卻回路,，并確保鉆頭在操作過程中的穩(wěn)定性,。此外，工程師還進行了增材制造的研究,，以確保鉆頭的設(shè)計適合通過選擇性激光熔化的工藝來加工出來。

鉆頭由生物相容性材料1.4404（耐腐蝕奧氏體不銹鋼（ASTM 316 / 316L））制成,。南極熊了解到鉆頭外表和內(nèi)部冷卻通道的幾何形狀由SolidWorks建模軟件來設(shè)計,，并使用Siemens NX軟件進行了模擬仿真。通過Concept Laser的M2增材制造設(shè)備,，加工出了帶內(nèi)部冷卻通道的鉆頭,，隨后進行了鉆頭表面處理的研磨工藝。為了產(chǎn)生良好的切屑間隙,，需要完美的鉆頭表面質(zhì)量以及鋒利的切削刃,，所以主切削刃和二次切削刃是在無心磨床上進行研磨完成的。

測試顯示溫度降低高達70％
使用直徑6 mm的鉆頭以及水作為冷卻液,，IFW進行了各種各樣的鉆孔測試,，并測量人造和牛骨中的鉆孔操作。在測試過程中,，工程師們以更高和更低的進給速率循序漸進的測量溫度變化情況,，并嘗試測試將冷卻系統(tǒng)打開和關(guān)閉兩種不同場景情況下的溫度變化情況。大量的測試帶來的經(jīng)驗表明,，增加進給速率可以降低鉆頭的最高溫度,。

以0.35mm / rev的高進給速度和2m / min的切割速度來加工Nylacast Polyactal（POM-C）工程塑料材料制成的人造骨，測試表明新鉆可以顯著降低溫度,。在冷卻功能關(guān)閉的情況下,，鉆頭由于進給速率高而沒有超過臨界溫度為50°C（122°F），但使用內(nèi)部冷卻功能,，溫度可以保持在最高35°C（95°F）的水平以下,。

當進給速率降低到0.07mm / rev時，對于開啟內(nèi)部冷卻功能的鉆頭,，測試結(jié)果相同,。3D科學谷了解到對于關(guān)閉內(nèi)部冷卻功能的鉆頭，溫度在不到100秒內(nèi)升高到高于50℃（122°F）,。

測試表明由于內(nèi)部冷卻系統(tǒng)補償溫度升高的能力,，即使在低進給速度的加工情況下也不再導(dǎo)致更高的溫度，從而消除了溫度過高的風險,，避免骨骼發(fā)生壞死意外,。這意味著這項通過3D打印制造帶內(nèi)冷的鉆頭技術(shù)還可以推廣到其他各種各樣的應(yīng)用領(lǐng)域,，包括鋸的制造。

來源：3D科學谷