米樂M6 M6米樂Fraunhofer開發(fā)自動(dòng)化3D打印工藝鏈基于 AI 重建患者特定的陶瓷指關(guān)節(jié)植入物

　　米樂M6 M6米樂米樂M6 M6米樂米樂M6 M6米樂米樂M6 M6米樂根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)了解，類似于指關(guān)節(jié)這樣的相對(duì)較小的植入物在個(gè)體配合和生物力學(xué)負(fù)載方面有很高的要求。無論是類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎還是外傷，以前的治療形式都經(jīng)常導(dǎo)致關(guān)節(jié)僵硬。為指關(guān)節(jié)提供一種新的治療形式并通過個(gè)性化的關(guān)節(jié)植入物實(shí)現(xiàn)手指關(guān)節(jié)的再活動(dòng)是醫(yī)療界持續(xù)探索的方向。在合作項(xiàng)目“FingerKIt”中，F(xiàn)raunhofer IAPT、Fraunhofer MEVIS、Fraunhofer IKTS、Fraunhofer ITEM 和 Fraunhofer IWM 正在開發(fā)一個(gè)連續(xù)的自動(dòng)化3D打印-增材制造工藝鏈，以實(shí)現(xiàn)手指關(guān)節(jié)的重新活動(dòng)。

　　根據(jù)國知局，天然關(guān)節(jié)因表面磨損或受傷或損毀而造成功能的全部喪失或部分喪失，則須用人工關(guān)節(jié)置入來代替該關(guān)節(jié)的功能缺損，現(xiàn)在人工關(guān)節(jié)置換術(shù)已有較普遍的應(yīng)用，給關(guān)節(jié)疾病的患者帶來了希望，現(xiàn)在人工關(guān)節(jié)植入中，一般采用將連接關(guān)節(jié)頭部或窩部的假體直接插入骨髓腔中并通過螺釘或螺母加以固定，以承載相應(yīng)的關(guān)節(jié)頭部或關(guān)節(jié)窩部，由于關(guān)節(jié)在移位/扭轉(zhuǎn)過程中需承擔(dān)較大的轉(zhuǎn)矩和質(zhì)量，對(duì)其假體安裝的牢固性和可靠性就提出較高的要求，因此，采用普通螺紋進(jìn)行緊固，在長期使用過程中就有可能會(huì)產(chǎn)生松脫或過伸或過屈等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響人工關(guān)節(jié)的正常使用，甚至?xí)斐扇斯りP(guān)節(jié)的功能喪失，既給患者帶來痛苦，也增加了患者的治療費(fèi)用。

　　目前治療手指關(guān)節(jié)疾病的形式，無論是類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎還是外傷，通常都會(huì)導(dǎo)致關(guān)節(jié)僵硬。通過弗勞恩霍夫的方法，可以生產(chǎn)在生物力學(xué)負(fù)載方面高要求的小型且精細(xì)的個(gè)性化植入物。根據(jù)3D科學(xué)谷的了解，F(xiàn)raunhofer IAPT 采用的增材制造技術(shù)是基于粘結(jié)劑的3D打印制造技術(shù)。

　　設(shè)計(jì)方面，F(xiàn)raunhofer MEVIS 和Fraunhofer IWM 開發(fā)了一個(gè)模型，在此基礎(chǔ)上可以從二維的X射線數(shù)據(jù)創(chuàng)建受損關(guān)節(jié)的三維立體模型。這將消除成本密集和壓力大的CT掃描診斷程序。

　　開發(fā)的三維模型還通過了仿真的進(jìn)一步驗(yàn)證，以模擬單獨(dú)調(diào)整的植入物的生物力學(xué)性能。在這項(xiàng)工作的基礎(chǔ)上，F(xiàn)raunhofer IAPT 首先創(chuàng)建指關(guān)節(jié)植入物的初始設(shè)計(jì)，然后訓(xùn)練AI算法，目的是根據(jù)可用的模擬數(shù)據(jù)自動(dòng)生成單個(gè)植入物設(shè)計(jì)。

　　Fraunhofer IAPT 專注于鈦模型材料的基于粘結(jié)劑的3D打印制造技術(shù)的工藝開發(fā)，F(xiàn)raunhofer IKTS 開發(fā)了陶瓷材料，旨在提高生物相容性和骨整合性，從而提高植入物對(duì)原始關(guān)節(jié)的適應(yīng)性特性。

　　各種類型的醫(yī)療植入物正在幫助世界各地的許多人改善生活質(zhì)量，雖然植入物所使用的材料會(huì)根據(jù)患者的年齡、活動(dòng)水平以及外科醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)的偏好等因素而有所不同，但陶瓷材料已經(jīng)被證明最強(qiáng)、最耐磨、多功能的解決方案。

　　Fraunhofer ITEM與Fraunhofer IWM和Fraunhofer IKTS一起負(fù)責(zé)對(duì)植入物特性進(jìn)行持續(xù)驗(yàn)證，并正在針對(duì)這些材料和要求開發(fā)新的體內(nèi)模型。為了確保從一開始就可快速轉(zhuǎn)移到臨床和工業(yè)應(yīng)用中，F(xiàn)raunhofer旗下的這幾家研究所共同努力，為其流程編制跨機(jī)構(gòu)、符合標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字文檔。

　　作為項(xiàng)目成果，將創(chuàng)建一個(gè)基于人工智能開發(fā)個(gè)性化植入物認(rèn)證合規(guī)評(píng)估中心，這在全球范圍內(nèi)是獨(dú)一無二的。

　　3D科學(xué)谷在《聚焦BJ粘結(jié)劑噴射技術(shù)、材料噴射技術(shù)-增材制造陶瓷的歷史、發(fā)展、未來》一文中分享過陶瓷增材制造的工業(yè)應(yīng)用比金屬和塑料材料大概晚十多年，這其中陶瓷增材制造的許多挑戰(zhàn)可以追溯到加工結(jié)構(gòu)陶瓷材料的內(nèi)在困難，包括加工溫度高、對(duì)缺陷敏感的機(jī)械性能和加工特性差。

　　全球多家研究院所及骨科醫(yī)療器械制造企業(yè)都有通過3D打印支架進(jìn)行骨再生的研究成果，其中起到關(guān)鍵作用的是生物相容性材料以及3D打印支架的設(shè)計(jì)方式。

　　值得關(guān)注的是骨組織支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的晶格，其規(guī)則的孔洞能夠在促進(jìn)組織生長的同時(shí)提供結(jié)構(gòu)性支撐，其晶格成型難的問題可以采用3D打印技術(shù)得到解決，在這方面，國內(nèi)升華三維生物還開發(fā)了陶瓷3D打印晶格結(jié)構(gòu)解決方案。

　　并不是所有的陶瓷都是不可降解的。3D打印陶瓷植入物的應(yīng)用點(diǎn)并不局限在耐磨和耐化學(xué)方面，陶瓷植入物包括氮化硅、氧化鋁、羥基磷灰石等種類，其中羥基磷灰石等陶瓷材料具有良好的生物相容性，在植入到體內(nèi)之后將逐漸被人體降解吸收，生物工程和再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)家們利用此類陶瓷材料的特點(diǎn)研發(fā)出用于修復(fù)骨骼缺損的陶瓷生物支架。

　　總體來說，無論是不降解的陶瓷材料還是可降解的陶瓷材料，它們都以各自的優(yōu)勢(shì)在植入物領(lǐng)域發(fā)揮越來越積極的作用。而無疑醫(yī)療植入物的市場(chǎng)需求將進(jìn)一步推動(dòng)陶瓷3D打印市場(chǎng)增長，在3D科學(xué)谷看來隨著陶瓷3D打印技術(shù)的提升，這一應(yīng)用或在植入物領(lǐng)域頗具顛覆潛力。

　　知之既深，行之則遠(yuǎn)?；谌蚍秶鷥?nèi)精湛的制造業(yè)專家智囊網(wǎng)絡(luò)，3D科學(xué)谷為業(yè)界提供全球視角的增材與智能制造深度觀察。有關(guān)增材制造領(lǐng)域的更多分析，請(qǐng)關(guān)注3D科學(xué)谷發(fā)布的白皮書系列。