增材制造手指植入物可實現(xiàn)精細化定制設(shè)計

德國的五個弗勞恩霍夫研究所——增材制造技術(shù)研究所 IAPT、陶瓷技術(shù)與系統(tǒng)研究所 IKTS、毒理學與實驗醫(yī)學研究所 ITEM、材料力學研究所 IWM 和數(shù)字醫(yī)學研究所 MEVIS——聯(lián)合開發(fā)了一種定制的增材制造關(guān)節(jié)植入物，旨在 FingerKIt 項目中恢復(fù)關(guān)節(jié)受損的手指的活動能力。

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，關(guān)節(jié)會融合，但這會嚴重限制患者的日常生活；硅或基本標準植入物要么會很快松動，要么只能提供特定尺寸，要么會限制運動。FingerKIt 的目標是創(chuàng)建一個自動化流程，允許在快速、安全和經(jīng)過認證的過程中用金屬或陶瓷生產(chǎn)個性化的手指關(guān)節(jié)植入物。

Fraunhofer MEVIS 的科學家們首先開發(fā)了一款基于人工智能的軟件，該軟件能夠?qū)⒍S X 射線圖像轉(zhuǎn)換為手指骨骼的三維模型，并糾正手指的任何錯位。Fraunhofer IAPT 的研究人員隨后使用 AI 從手指模型中推導出單獨的植入物設(shè)計，并將其發(fā)送給增材制造。由于所涉及的結(jié)構(gòu)非常精細，科學家們選擇了金屬粘結(jié)劑噴射工藝（Binder Jetting）， 然后植入物經(jīng)歷了燒結(jié)過程。在 Fraunhofer IKTS，植入物是使用近凈形制造法（ near-net shape manufacturing）生產(chǎn)的。Fraunhofer ITEM 負責有關(guān)植入物的生物相容性和認證的問題，而 Fraunhofer IWM 負責機械負載的模擬。

Fraunhofer IAPT 零件設(shè)計組負責人 Arthur Seibel 博士表示：“基于 AI 的計算從 2D 模板（如 X 射線圖像）進行三維植入設(shè)計是全新的，目前正在申請專利?！?/span>

類風濕性關(guān)節(jié)炎：即使手指嚴重彎曲的患者也可以通過 FingerKIt 植入物獲得最佳治療

Fraunhofer IAPT 增材制造工藝鑒定部門負責人 Philipp Imgrund 博士補充說：“工藝工程也很特別。由于種植體軸的結(jié)構(gòu)非常精密，我們選擇使用金屬粘結(jié)劑噴射3D打印方法來打印鈦合金。這種方法允許極其精確地生產(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?！?/span>

通過使用自動化模型創(chuàng)建和增材制造，該生產(chǎn)過程還節(jié)省了時間。根據(jù)研究人員的初步計算，從確定是否需要植入物到將其安裝到患者體內(nèi)，最多可節(jié)省通常所需時間的 60%。這意味著該過程可以在幾天內(nèi)完成，從而縮短住院時間，從而降低成本。

FingerKIt 項目的技術(shù)開發(fā)現(xiàn)已達到可以與醫(yī)療工程領(lǐng)域的合作伙伴合作為市場做好準備的階段?；?AI 的設(shè)計創(chuàng)作和制造過程有效，并且已經(jīng)生產(chǎn)出可展示的植入物。下一步是獲得必要的批準。

未來，F(xiàn)raunhofer 預(yù)計這些積極的結(jié)果將使用戶能夠為嚴重彎曲的手指、缺失的骨骼部分或非常小的關(guān)節(jié)等復(fù)雜病例提供有效的治療。

根據(jù)德國風濕病學會的數(shù)據(jù)，德國約有2%的成年人患有炎癥性風濕性疾病 - 他們中的大多數(shù)人不希望隨著年齡的增長而犧牲自己的良好生活質(zhì)量。新開發(fā)的植入物也將能夠幫助受傷的患者。例如，與足部或踝關(guān)節(jié)植入物相比，手指關(guān)節(jié)的再活動市場仍然明顯不發(fā)達。專家預(yù)測，到2026年，總潛力將達到580萬歐元。

FingerKIt項目的技術(shù)開發(fā)現(xiàn)在已經(jīng)達到了一個階段，可以與醫(yī)療工程領(lǐng)域的合作伙伴合作，將產(chǎn)品推向市場：基于人工智能的設(shè)計創(chuàng)建和制造過程工作以及可展示的植入物已經(jīng)生產(chǎn)出來。下一步是獲得必要的批準。Imgrund博士：“我們目前正在尋找具有所需專業(yè)知識的企業(yè)合作伙伴，以幫助我們將人工智能創(chuàng)建的醫(yī)療設(shè)備推向市場。