3D打印內冷骨科鉆頭以避免骨壞死

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

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3D科學谷的市場研究，骨是復雜的各向異性、多孔和粘彈性復合材料，在材料性質以及幾何形狀上也是非均勻的。皮質骨是相對較差的熱導體，據估計，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、轉速、進給速度、軸向推力、初始鉆頭溫度以及內部或外部冷卻等。為了保持低溫，通常在進行手術的過程中，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過程更好的解決辦法，但需要保證內部冷卻系統(tǒng)是閉環(huán)進行的，根據市場研究，由于冷卻方法可能會導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)建內部冷卻通道

為了開發(fā)能夠切割骨骼而不引起熱誘導的骨壞死的外科手術鉆頭，德國漢諾威萊比尼斯大學的生產工程和機床研究所（IFW）轉向了Toolcraft公司尋求幫助，這是一家專注于精密零件、組件、模具和注塑件生產的服務型企業(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預主軸附件。從而使連接的冷卻液罐和泵確保連續(xù)供應冷卻液。
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Toolcraft，目前可以使用選擇性激光熔化加工工藝來生產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，從而更容易適應這種新的鉆頭工具。在鉆頭的內部設計了直徑為1.2 mm的內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部冷卻通道的幾何形狀由SolidWorks建模軟件來設計，并使用Siemens NX軟件進行了模擬仿真。通過Concept Laser的M2增材制造設備，加工出了帶內部冷卻通道的鉆頭，隨后進行了鉆頭表面處理的研磨工藝。為了產生良好的切屑間隙，需要完美的鉆頭表面質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，對于開啟內部冷卻功能的鉆頭，測試結果相同。3D科學谷了解到對于關閉內部冷卻功能的鉆頭，溫度在不到100秒內升高到高于50℃（122°F）。

測試表明由于內部冷卻系統(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打印制造帶內冷的鉆頭技術還可以推廣到其他各種各樣的應用領域，包括鋸的制造。

來源：3D科學谷