3D打印個(gè)性化手指關(guān)節(jié)

類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎等關(guān)節(jié)疾病或因受傷引起的關(guān)節(jié)疾病會(huì)導(dǎo)致患肢十分痛苦，診療過程有時(shí)也會(huì)非常痛苦，有時(shí)甚至要以毀掉專業(yè)人員的職業(yè)生涯作為代價(jià)。但現(xiàn)在隨著科技的逐步發(fā)展，人們對(duì)關(guān)節(jié)疾病的治療提出了很多新的方法。2022年12月，南極熊獲悉，來自弗勞恩霍夫研究所的專家聯(lián)盟使用了AI 和3D打印技術(shù)，為患者制作個(gè)性化的關(guān)節(jié)植入物。

FingerKit 聯(lián)盟

這種診療技術(shù)的發(fā)展藥歸功于FingerKIt項(xiàng)目，F(xiàn)ingerKIt 的目標(biāo)是首次開發(fā)用于生產(chǎn)定制設(shè)計(jì)植入物的端到端自動(dòng)化流程鏈。該聯(lián)盟還包括增材制造技術(shù)研究所 (IAPT)、陶瓷技術(shù)與系統(tǒng)研究所 (IKTS)、毒理學(xué)與實(shí)驗(yàn)醫(yī)學(xué)研究所 (ITEM)、材料力學(xué)研究所 (IWM) 和研究所用于數(shù)字醫(yī)學(xué) (MEVIS)，每個(gè)小組都將他們自己特定領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)帶入該項(xiàng)目，提供足夠的技術(shù)支撐。

在 Fraunhofer IAPT 的領(lǐng)導(dǎo)下，此團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)再到符合認(rèn)證測(cè)試的患者專用植入物制造的連續(xù)自動(dòng)化流程鏈。該項(xiàng)目的工作重點(diǎn)是不斷推動(dòng)指關(guān)節(jié)植入物市場(chǎng)。相對(duì)較小的植入物在個(gè)體適應(yīng)性和生物力學(xué)負(fù)荷方面受到高要求。因此，無論是在類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎還是外傷的情況下，傳統(tǒng)的治療形式都經(jīng)常導(dǎo)致關(guān)節(jié)僵硬?，F(xiàn)在，人們能夠?yàn)殛P(guān)節(jié)疾病提供一種新的治療方法，并通過個(gè)性化調(diào)整的關(guān)節(jié)植入物實(shí)現(xiàn)手指關(guān)節(jié)的再活動(dòng)，這也是該聯(lián)盟的核心技術(shù)目標(biāo)。

△連續(xù)自動(dòng)化流程鏈

打印的指關(guān)節(jié)植入物

△由 AI 進(jìn)行 3D 建模，并打印成自定義尺寸（圖片來源：Fraunhofer Institute）

目前，如果手指關(guān)節(jié)因意外或受傷而失去功能，治療方法是有限的。在大多數(shù)情況下，會(huì)進(jìn)行聯(lián)合融合手術(shù)。這個(gè)過程，也稱為關(guān)節(jié)固定術(shù)，在手術(shù)過程中，受損的關(guān)節(jié)需要由醫(yī)護(hù)人員手動(dòng)拉直，其中的軟骨被移除，使得骨骼定位在某一位置達(dá)到足夠長(zhǎng)的時(shí)間，以便它們自然融合在一起。但這將導(dǎo)致手指不能彎曲和自由活動(dòng)。

在使用傳統(tǒng)植入物的情況下，選擇是有限的。患者可以選擇硅膠植入物，但它有松動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，需要進(jìn)一步手術(shù)來矯正?；蛘撸颊呖梢赃x擇標(biāo)準(zhǔn)植入物，但它僅提供某些標(biāo)準(zhǔn)尺寸，并且不能完全恢復(fù)相關(guān)手指的全部運(yùn)動(dòng)范圍。

因此，最佳解決方案需要解決與傳統(tǒng)植入物相關(guān)的這兩個(gè)缺陷的解決方案。也就是說，最好的關(guān)節(jié)是不會(huì)松動(dòng)的，并且還可以讓手指恢復(fù)全部活動(dòng)范圍。為此，定制個(gè)性化的手指植入物是最好的解決方案。這就是 FingerKIt 聯(lián)盟通過其 AI和3D打印進(jìn)行關(guān)節(jié)制造的目標(biāo)。

由 Fraunhofer 工程師和科學(xué)家開發(fā)的工作流程在很大程度上是自動(dòng)化的，并且消除了大量的人力物力：

●具體來說，研究人員開發(fā)了利用人工智能將 2D X 射線圖像轉(zhuǎn)換為手指骨骼和關(guān)節(jié)的 3D 模型的軟件。然后可以在 3D 模型中對(duì)損壞的關(guān)節(jié)進(jìn)行任何修正。

●Fraunhofer IAPT（AM 組）的研究人員隨后使用 AI 從手指模型中推導(dǎo)出個(gè)體植入物設(shè)計(jì)并將其發(fā)送至 3D 打印。

●然后使用金屬粘合劑噴射工藝以高分辨率制造替換接頭。由 Fraunhofer IKTS 的工程師進(jìn)行燒結(jié)、固化和致密化。組后可以將近凈形部件進(jìn)行精加工，以減少粗糙度并在植入患者體內(nèi)時(shí)實(shí)現(xiàn)更好的運(yùn)動(dòng)。

Fraunhofer IAPT 增材制造工藝鑒定部門負(fù)責(zé)人 Philipp Imgrund 博士說：“由于植入軸的結(jié)構(gòu)非常精細(xì)，我們選擇使用金屬粘合劑噴射 3D 打印方法來打印鈦，這種方法可以極其精確地生產(chǎn)小型、復(fù)雜的植入物，還使我們能夠以這樣一種方式構(gòu)建軸的表面，使其更有效地生長(zhǎng)到骨骼中。此外，這最大限度地減少了接合面所需的精加工工作，接合面需要盡可能光滑和無摩擦?！?/p>

Fraunhofer IKTS（陶瓷集團(tuán)）也展示了使用陶瓷材料制造植入物，這些植入物通過注漿法進(jìn)行加工。Fraunhofer ITEM（毒理學(xué)組）一直在處理材料的生物相容性和植入物的認(rèn)證，F(xiàn)raunhofer IWM（材料力學(xué)組）一直在進(jìn)行部件的機(jī)械模擬。

充滿希望的未來

Fraunhofer 聯(lián)盟的新工作流程可以生產(chǎn)和植入高度定制的部件，所用時(shí)間僅為傳統(tǒng)方法通常生產(chǎn)時(shí)間的 60%。這意味著從 X 光到植入的整個(gè)過程可以在短短幾天內(nèi)完成。這將縮短住院天數(shù)，從而降低住院費(fèi)用。

而且這個(gè)工作流程不僅僅適用于彎曲的手指，還可以應(yīng)用于骨骼缺失或較小關(guān)節(jié)的患者。據(jù)德國(guó)風(fēng)濕病學(xué)會(huì)稱，德國(guó)約有 2% 的成年人患有炎癥性風(fēng)濕病，這些疾病可以通過 Fraunhofer 過程進(jìn)行治療。

FingerKIt 項(xiàng)目中的技術(shù)開發(fā)現(xiàn)已達(dá)到成熟點(diǎn)，產(chǎn)品和流程已為市場(chǎng)做好準(zhǔn)備。該項(xiàng)目目前正在努力獲得必要的批準(zhǔn)，并且還在尋求醫(yī)療工程領(lǐng)域的企業(yè)合作伙伴關(guān)系，以幫助將 FingerKIt 推向市場(chǎng)。