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(jìn)行關(guān)節(jié)融合術(shù)。鉆頭鉆孔過(guò)程中所產(chǎn)生的熱量可對(duì)周?chē)�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(guò)3D打印帶內(nèi)冷系統(tǒng)的骨科鉆頭來(lái)降低手術(shù)過(guò)程中的熱量。接下來(lái)我們共同來(lái)領(lǐng)略3D打印技術(shù)為降低醫(yī)療手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)所做出的貢獻(xiàn)。

骨科鉆頭的操作環(huán)境是非常獨(dú)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(xué)谷的市場(chǎng)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(duì)較差的熱導(dǎo)體，據(jù)估計(jì)，在鉆孔過(guò)程中大約60％的熱能可以通過(guò)骨碎片耗散掉。而在金屬切削鉆孔加工中，約80％的熱量通過(guò)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(jìn)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(jìn)行手術(shù)的過(guò)程中，即鉆孔過(guò)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(guò)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(jìn)行的，根據(jù)市場(chǎng)研究，由于冷卻方法可能會(huì)導(dǎo)致冷卻流體進(jìn)入到傷口中，所以需要避免使用開(kāi)放型的冷卻系統(tǒng)。

創(chuàng)建內(nèi)部冷卻通道

為了開(kāi)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(guó)漢諾威萊比尼斯大學(xué)的生產(chǎn)工程和機(jī)床研究所（IFW）轉(zhuǎn)向了Toolcraft公司尋求幫助，這是一家專(zhuān)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(guò)選擇性激光熔化的3D打印方法來(lái)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(huì)進(jìn)入傷口。雖然鉆頭發(fā)生破損的機(jī)會(huì)很小，但并不能排除這種可能性。為了妥善起見(jiàn)，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(huì)造成傷害。

Toolcraft公司開(kāi)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(gè)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(lái)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(duì)于醫(yī)生來(lái)說(shuō)它看起來(lái)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(jì)了直徑為1.2 mm的內(nèi)部圓形冷卻通道從而使熱能遠(yuǎn)離切削刃，而回流管道則確保了冷卻液的連續(xù)流動(dòng)。

在項(xiàng)目開(kāi)始時(shí)，工程師根據(jù)冷卻液的體積流量、溫度變化和熱容量來(lái)計(jì)算冷卻能力。然后，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種將封閉的冷卻回路，并確保鉆頭在操作過(guò)程中的穩(wěn)定性。此外，工程師還進(jìn)行了增材制造的研究，以確保鉆頭的設(shè)計(jì)適合通過(guò)選擇性激光熔化的工藝來(lái)加工出來(lái)。

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(lái)設(shè)計(jì)，并使用Siemens NX軟件進(jìn)行了模擬仿真。通過(guò)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(jìn)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(wú)心磨床上進(jìn)行研磨完成的。

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

以0.35mm / rev的高進(jìn)給速度和2m / min的切割速度來(lái)加工Nylacast Polyactal（POM-C）工程塑料材料制成的人造骨，測(cè)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(jìn)給速率高而沒(méi)有超過(guò)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(dāng)進(jìn)給速率降低到0.07mm / rev時(shí)，對(duì)于開(kāi)啟內(nèi)部冷卻功能的鉆頭，測(cè)試結(jié)果相同。3D科學(xué)谷了解到對(duì)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(cè)試表明由于內(nèi)部冷卻系統(tǒng)補(bǔ)償溫度升高的能力，即使在低進(jìn)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(guò)高的風(fēng)險(xiǎn)，避免骨骼發(fā)生壞死意外。這意味著這項(xiàng)通過(guò)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(lái)源：3D科學(xué)谷