在心臟微創(chuàng)手術(shù)中，醫(yī)生需要使用一些微小、精密的手術(shù)器械。但這類手術(shù)器械的存在制造難度很高，研發(fā)周期長(zhǎng)且研發(fā)成本不菲等問題。此外，在使用傳統(tǒng)的制造技術(shù)的情況下，醫(yī)療器械企業(yè)很難在手術(shù)器械的設(shè)計(jì)上進(jìn)行突破。面對(duì)這些問題，英國(guó)Sutrue 公司借助金屬3D打印技術(shù)，在手術(shù)器械的設(shè)計(jì)上進(jìn)行了優(yōu)化。

     本期，將Sutrue 3D打印心臟手術(shù)器械的應(yīng)用案例與網(wǎng)友進(jìn)行分享，讓我們借此來了解一下3D打印特別是金屬3D打印技術(shù)在微型手術(shù)醫(yī)療器械制造領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

提升設(shè)計(jì)空間與手術(shù)器械性能

    Sutrue 公司創(chuàng)始人和英國(guó)皇家Brompton醫(yī)院的心臟專家 Richard Trimlett 合作拓展了金屬3D打印技術(shù)在微創(chuàng)心臟手術(shù)縫合器和心臟穩(wěn)定器制造中的應(yīng)用。

      多年來手術(shù)的縫合始終延續(xù)著傳統(tǒng)的方式，每年全球約有24萬名醫(yī)生在進(jìn)行手術(shù)的過程中被縫合針刺傷，不僅如此，傳統(tǒng)的縫合方式對(duì)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)的依賴性高。Suture 公司設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)心臟手術(shù)縫合器，使用醫(yī)生可以快速而精準(zhǔn)的對(duì)傷口進(jìn)行縫合，縮短手術(shù)的時(shí)間。同時(shí)，由于良好的縫合效果，有利于患者更快恢復(fù)。

     這款縫合器非常的微小，用于心臟內(nèi)窺鏡手術(shù)，在手術(shù)時(shí)縫合器將穿過一個(gè)像飲水吸管一樣細(xì)的管子，并移動(dòng)到指定位置，其頭部可以靈活旋轉(zhuǎn)，以便到達(dá)任何所需的方位。在進(jìn)行縫合時(shí)，針頭輕柔而精準(zhǔn)的旋轉(zhuǎn)。能夠?qū)崿F(xiàn)這些如此精細(xì)的功能，得益于縫合器械中復(fù)雜的微型齒輪零件。而這些復(fù)雜、微小而精密的齒輪正是Suture公司通過粉末床激光熔化金屬3D打印設(shè)備制造的。

      齒輪上的齒長(zhǎng)度僅為0.4mm。在一次3D打印中，可以同時(shí)打印數(shù)百個(gè)這樣的微型齒輪，具體數(shù)量與打印機(jī)尺寸有關(guān)，例如，Sutrue公司使用的Concept Laser Mlab Cusing 200R 設(shè)備，最多可同時(shí)打印600個(gè)。Sutrue采用的打印材料是316L不銹鋼，打印完成后沒有進(jìn)行精加工。

這種創(chuàng)新的設(shè)計(jì)對(duì)于心臟外科醫(yī)生來說能夠進(jìn)行快速而精準(zhǔn)的縫合，每個(gè)針跡都可達(dá)到可重復(fù)的精度，縫合速度可達(dá)到針頭每秒鐘旋轉(zhuǎn)3次。這意味著手術(shù)的時(shí)間將進(jìn)一步縮短，而手術(shù)時(shí)間減少有助于降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

     Sutrue 公司還針對(duì)心臟手術(shù)中用到的心臟穩(wěn)定器進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化。心臟穩(wěn)定器是心臟不停跳冠脈搭橋手術(shù)的關(guān)鍵器械之一，在體外循環(huán)心臟手術(shù)中，醫(yī)生需要使用心臟穩(wěn)定器進(jìn)行干預(yù)。Richard Trimlett 醫(yī)生表示，在手術(shù)中，醫(yī)生需要在跳動(dòng)的心臟上進(jìn)行手術(shù)治療，在開胸手術(shù)中，醫(yī)生可以使用比較大的穩(wěn)定器，但是在微創(chuàng)手術(shù)中，醫(yī)生需要用到微小的穩(wěn)定器。

針對(duì)臨床醫(yī)生的需求，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)開始探索如何設(shè)計(jì)一個(gè)足夠微小的穩(wěn)定器，以及如何設(shè)計(jì)與制造定制化的微型心臟穩(wěn)定器。設(shè)計(jì)優(yōu)化后的穩(wěn)定器由3D打印技術(shù)分成兩個(gè)部分制造，一部分是塑料材質(zhì)的，由SLS 選擇性激光燒結(jié)3D打印設(shè)備制造，另一部分是金屬的，由粉末床激光熔化3D打印設(shè)備制造。外科醫(yī)生在使用時(shí)將穩(wěn)定器按壓到需要保持干預(yù)的區(qū)域。

心臟穩(wěn)定器的設(shè)計(jì)開發(fā)過程在三個(gè)月之內(nèi)即完成了，在研發(fā)中使用3D打印技術(shù)進(jìn)行快速制造，使研發(fā)速度顯著提升。Suture公司表示，研發(fā)成本約1.5萬英鎊，而如果采用傳統(tǒng)制造方式，類似的研發(fā)項(xiàng)目需要花費(fèi)上百萬英鎊的成本。

Richard Trimlett 醫(yī)生站在醫(yī)療效果的角度上，認(rèn)為經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)的3D打印手術(shù)器械使患者直接受益，患者的康復(fù)時(shí)間從術(shù)后平均6個(gè)月縮短至3到4周。

Sutrue 公司進(jìn)行手術(shù)器械研發(fā)領(lǐng)域已有超過10年的經(jīng)驗(yàn)，在研發(fā)中使用增材制造/3D打印技術(shù)已有7年的歷史。對(duì)于Sutrue的研發(fā)團(tuán)隊(duì)來說，增材制造技術(shù)的意義不僅在于研發(fā)階段能夠快速制造出產(chǎn)品原型，還在于該技術(shù)能夠生產(chǎn)出非常復(fù)雜的幾何形狀，包括那些非常微小并具有高性能和功能精度的手術(shù)器械，這些器械往往是被外科醫(yī)生所需要，但是通過以往的技術(shù)沒有制造出來的。除此之外，Sutrue的團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)時(shí)可以嘗試進(jìn)一步減少手術(shù)器械的零件數(shù)量，探索整體的、功能集成式的產(chǎn)品，這些設(shè)計(jì)方案在制造和組裝中會(huì)節(jié)省一定的成本。Sutrue 的下一個(gè)目標(biāo)是通過金屬3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)心臟泵的設(shè)計(jì)優(yōu)化，他們將使這個(gè)器械變得更加微小。

 Review
     增材制造技術(shù)在制造復(fù)雜、微型手術(shù)器械領(lǐng)域的應(yīng)用潛力已逐漸為手術(shù)器械制造用戶所挖掘，根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)研究，美國(guó) DanaMed Inc公司也曾進(jìn)行了類似的探索。
     DanaMed 對(duì)膝關(guān)節(jié)前交叉韌帶（ACL）手術(shù)器械進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化，并使用金屬3D打印設(shè)備制造器械中的韌帶導(dǎo)向器，導(dǎo)向器頂端尺寸分為5.5毫米和7.7毫米兩種型號(hào)，打印材
    質(zhì)為難加工材料鎳合金（Inconel 718 ）。這也是一種復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)，尺寸微小的器械。金屬3D打印技術(shù)的使用給手術(shù)器械的仿生設(shè)計(jì)優(yōu)化帶來了更大空間，設(shè)計(jì)師能夠嘗
    試通過以往的制造技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)。未來，是否有更多微型的手術(shù)器械可以通過金屬3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)上的突破和產(chǎn)品性能的提升？讓我們拭目以待。

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