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打印帶內冷系統的骨科鉆頭來降低手術過程中的熱量。本期，共同來領略3D打印技術為降低醫療手術風險所做出的貢獻。
骨科鉆頭的操作環境是非常獨特的，與制造中所使用的工程鉆頭或傳統的非生物工程如建筑行業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是閉環進行的，根據3D科學谷的市場研究，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。
創建內部冷卻通道
為了開發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。
Toolcraft公司建議通過選擇性激光熔化的3D打印方法來創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，以確保在鉆頭發生破損的情況下不會造成傷害。
Toolcraft公司開發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供應冷卻液。Toolcraft公司建模了一個直徑為6mm的常規骨科鉆頭。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鉆頭的幾何形狀，對于醫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，項目團隊開發了一種將封閉的冷卻回路，并確保鉆頭在操作過程中的穩定性。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。3D科學谷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。
(責任編輯：admin)
Vertico推出可持續模塊化3
亞利桑那大學研發3D打印可
對比不同來源骨塊移植物：
交貨周期、材料浪費均減半
增材制造賦能運動裝備：Ca
美國CoAspire與Divergent
普惠公司推出新的
得克薩斯州將建成
美軍推進遠程3D混
3D打印的熱交換器
3D打印實現外固定
哥倫比亞大學采用
