Fraunhofer开发自动化3D打印工艺链,基于 AI 重建患者特定的陶瓷指关节植入物

根据3D科学谷的市场了解,类似于指关节这样的相对较小的植入物在个体配合和生物力学负载方面有很高的要求。无论是类风湿性关节炎还是外伤,以前的治疗形式都经常导致关节僵硬。为指关节提供一种新的治疗形式并通过个性化的关节植入物实现手指关节的再活动是医疗界持续探索的方向。在合作项目“FingerKIt”中,Fraunhofer IAPT、Fraunhofer MEVIS、Fraunhofer IKTS、Fraunhofer ITEM 和 Fraunhofer IWM 正在开发一个连续的自动化3D打印-增材制造工艺链,以实现手指关节的重新活动。

Fraunhofer_finger3D打印指关节
© Fraunhofer IAPT

block 满足高要求的个体配合

根据国知局,天然关节因表面磨损或受伤或损毁而造成功能的全部丧失或部分丧失,则须用人工关节置入来代替该关节的功能缺损,现在人工关节置换术已有较普遍的应用,给关节疾病的患者带来了希望,现在人工关节植入中,一般采用将连接关节头部或窝部的假体直接插入骨髓腔中并通过螺钉或螺母加以固定,以承载相应的关节头部或关节窝部,由于关节在移位/扭转过程中需承担较大的转矩和质量,对其假体安装的牢固性和可靠性就提出较高的要求,因此,采用普通螺纹进行紧固,在长期使用过程中就有可能会产生松脱或过伸或过屈等现象,严重影响人工关节的正常使用,甚至会造成人工关节的功能丧失,既给患者带来痛苦,也增加了患者的治疗费用。

目前治疗手指关节疾病的形式,无论是类风湿性关节炎还是外伤,通常都会导致关节僵硬。通过弗劳恩霍夫的方法,可以生产在生物力学负载方面高要求的小型且精细的个性化植入物。根据3D科学谷的了解,Fraunhofer IAPT 采用的增材制造技术是基于粘结剂的3D打印制造技术。

Finger_Fraunhofer_2指关节二维扫描
© Fraunhofer IAPT

在 FingerKIt 项目中,Fraunhofer旗下五家研究所:Fraunhofer IAPT、Fraunhofer IKTS、Fraunhofer ITEM、Fraunhofer IWM 和 Fraunhofer MEVIS 通过合作实现患者特定植入物的制造。科学家们实现了从设计到生产再到认证合规测试的连续自动化流程链。

设计方面,Fraunhofer MEVIS 和Fraunhofer IWM 开发了一个模型,在此基础上可以从二维的X射线数据创建受损关节的三维立体模型。这将消除成本密集和压力大的CT扫描诊断程序。

开发的三维模型还通过了仿真的进一步验证,以模拟单独调整的植入物的生物力学性能。在这项工作的基础上,Fraunhofer IAPT 首先创建指关节植入物的初始设计,然后训练AI算法,目的是根据可用的模拟数据自动生成单个植入物设计。

Finger_Fraunhofer_1指关节3D打印工艺链开发流程
© Fraunhofer IAPT

Fraunhofer IAPT 专注于钛模型材料的基于粘结剂的3D打印制造技术的工艺开发,Fraunhofer IKTS 开发了陶瓷材料,旨在提高生物相容性和骨整合性,从而提高植入物对原始关节的适应性特性。

根据3D科学谷,各种类型的医疗植入物正在帮助世界各地的许多人改善生活质量,虽然植入物所使用的材料会根据患者的年龄、活动水平以及外科医生进行手术的偏好等因素而有所不同,但陶瓷材料已经被证明最强、最耐磨、多功能的解决方案。

Fraunhofer ITEM 与Fraunhofer IWM 和Fraunhofer IKTS 一起负责对植入物特性进行持续验证,并正在针对这些材料和要求开发新的体内模型。为了确保从一开始就可快速转移到临床和工业应用中,Fraunhofer旗下的这几家研究所共同努力,为其流程编制跨机构、符合标准的数字文档。

Finger_Fraunhofer_3

作为项目成果,将创建一个基于人工智能开发个性化植入物认证合规评估中心,这在全球范围内是独一无二的。

block 3D打印陶瓷植入物

3D科学谷在《聚焦BJ粘结剂喷射技术、材料喷射技术-增材制造陶瓷的历史、发展、未来》一文中分享过陶瓷增材制造的工业应用比金属和塑料材料大概晚十多年,这其中陶瓷增材制造的许多挑战可以追溯到加工结构陶瓷材料的内在困难,包括加工温度高、对缺陷敏感的机械性能和加工特性差。

全球多家研究院所及骨科医疗器械制造企业都有通过3D打印支架进行骨再生的研究成果,其中起到关键作用的是生物相容性材料以及3D打印支架的设计方式。

值得关注的是骨组织支架结构设计中的晶格,其规则的孔洞能够在促进组织生长的同时提供结构性支撑,其晶格成型难的问题可以采用3D打印技术得到解决,在这方面,国内升华三维生物还开发了陶瓷3D打印晶格结构解决方案。

根据3D科学谷,并不是所有的陶瓷都是不可降解的。3D打印陶瓷植入物的应用点并不局限在耐磨和耐化学方面,陶瓷植入物包括氮化硅、氧化铝、羟基磷灰石等种类,其中羟基磷灰石等陶瓷材料具有良好的生物相容性,在植入到体内之后将逐渐被人体降解吸收,生物工程和再生医学领域的科学家们利用此类陶瓷材料的特点研发出用于修复骨骼缺损的陶瓷生物支架。

总体来说,无论是不降解的陶瓷材料还是可降解的陶瓷材料,它们都以各自的优势在植入物领域发挥越来越积极的作用。而无疑医疗植入物的市场需求将进一步推动陶瓷3D打印市场增长,在3D科学谷看来随着陶瓷3D打印技术的提升,这一应用或在植入物领域颇具颠覆潜力。

关于陶瓷3D打印的深度洞察,请参考3D科学谷发布的《3D打印与陶瓷白皮书》。

关于陶瓷3D打印的近距离接触,欢迎参加12月20-22日深圳国际增材制造、粉末冶金与先进陶瓷展览会(Formnext + PM South China)。

知之既深,行之则远。基于全球范围内精湛的制造业专家智囊网络,3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察。有关增材制造领域的更多分析,请关注3D科学谷发布的白皮书系列。

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