洞悉如何通过设计实现更先进的3D打印金属植入物
© 3D科学谷
“自动化”的建模成就更好的植入物
上海交通大学医学院附属第九人民医院 郝永强表示，理论上来讲，每次治疗都应是个性化的, 但目前并不是所有患者都有那么高的个性化要求，目前多数骨科手术中使用的是标准化植入物。3D打印个性化植入物主要用于解决传统手术无法解决的问题，以及满足高端医疗需求。比如说，在骨肿瘤修复手术中个性化3D打印植入物能够满足传统方式所不能满足的需求，对于医生与患者来说是刚性需求。3D打印个性化植入物作为一种新技术将在很长时期内与传统技术共存，在刚需病例的基础上进行长期积累、总结后，将逐渐取代传统的技术。
创成式设计
乔布斯(Steve Jobs) 曾经说过，21世纪最好的创新是将生物学与技术相交叉。
在设计航空航天、医疗产品或汽车部件时，此前人类可能从未想过向蚂蚁和寻光植物细胞寻求建议，但如果使用创成式设计软件来塑造零件的设计，不过这一切已经不是梦想，实际上已经在做了。根据3D科学谷，软件方面，当前在3D打印领域，提到最多的可能是拓扑优化，而不是创成式设计。虽然很多场合二者都是混为一谈的，但细究起来创成式设计（Generative Design）是根据一些起始参数通过迭代并调整来找到优化的模型。拓扑优化（Topology Optimization）是对给定的模型进行分析，常见的是根据边界条件进行有限元分析，然后对模型变形或删减来进行优化。
创成式设计应用在医疗植入物领域的一个经典案例是加利福尼亚州的医疗公司NuVasive创建了珊瑚状的脊柱植入物，由钛制成，精确地放在两块椎骨之间。通过模仿人体骨骼的多孔性和硬度，它可以加速手术后的骨骼生长与康复。
© NuVasive
脊柱外科医生通常使用由高性能塑料制成的植入物，因为材料比金属刚性小，但也是多孔的。但NuVasive的研究表明，采用正确的设计，钛可以塑造成更接近人体骨骼的形状和硬度 – 与塑料相比更强大。但是如何在保持这种强度的同时使它变得多孔而且更加接近人体骨骼的真实状态？NuVasive尝试了创成式设计软件。
创成式设计的过程是这样的，NuVasive将约束条件（如种植体的重量和多孔性）设置到软件中，然后要求该算法提供适合该约束条件的建模解决方案。计算机建模不仅快速，而且可以破除一些思维的束缚，人类对很多事物都有着先入为主的观念，这使得原创想法并不容易实现。
设计人员在设计中用到了Autodesk的Dreamcatcher程序，创造出拥有不寻常的复杂几何结构设计作品。
为什么我们需要将生物学的概念引入制造中呢？大自然创造的生物结构巧妙而复杂，人们如何将这些大自然的作品“复制”到工业制造中呢？日益发展的智能化设计软件与3D打印技术为我们提供了一条创造仿生结构的捷径。
大自然的很多材料具有很强的适应性，而人造材料则不然。钢始终致密；陶瓷易碎，塑料有弹性。由这些制成的零件在整个过程中都表现出源材料的属性。另一方面，大自然中的很多物体出于多种目的在不同区域表现出适应性密度、弹性和脆性（例如肌肉、静脉和骨骼的组合）。
这驱动着设计者探索如何将大自然的材料在弹性、密度和脆性方面不断变化的能力引入到产品的设计中来。而这将使得未来，人们对具有微观转变的材料产生浓厚兴趣。
创成式设计将激发设计师通过手动建模不易获得的思想灵感，创造出拥有不寻常的复杂几何结构设计作品。3D打印技术由于可以将复杂的设计转化为现实，注定已成为创成式设计的“好伙伴”。
在3D科学谷看来，在所有创造价值的源头，在所有可能颠覆的源头，算法无疑是最重要的部分之一。当前含有创成式功能的设计软件包括：Autodesk 的 Fusion 360，西门子的 NX，PTC 的 Creo Generative Design创成式设计，海克斯康MSC 软件的 MSC Apex 创成式设计，nTopology 的 nTop 平台，ELISE，Desktop Metal 的 Live Parts，ParaMatters等。
拿nTopology 的 nTop 平台举例。
© nTopology
nTop 基于隐式建模，这种实现3D 形状的方式比 传统CAD 文件快数千倍，文件更小，而且复杂性不会破坏系统，nTopology 使用户可以完全控制创成工作流、优化过程及其输出的各个方面。创建可重用的工作流，以满足用户的应用程序的独特要求。
自1970年代首次开发b-reps系统以来，计算机硬件领域已经发生了巨大的变化。电脑现在配有多个CPU和以及强大的GPU，处理数据的能力大大增强。但由于B-reps算法包含很多特例性的分支，导致其并不适合在GPU上实现。而nTop则可以同时运用这两者，随着游戏行业的蓬勃发展，GPU的性能也得到了迅速发展，可以预见nTop和隐式建模的前景是非常广阔的。
关于创成式设计的发展现状的更多信息，请参考3D科学谷发布的《让计算机自动设计复杂产品，一文洞见创成式设计的最新发展》。
拓扑优化
美敦力耿芳表示，很多3D打印标准化植入物获得了FDA的认证，3D打印技术在制造多孔结构、拓扑优化结构等复杂结构中具有优势，可以说3D打印技术在标准件制造的应用也是必然趋势。
由于骨骼和植入物的弹性模量不匹配，临床上经常会出现应力屏蔽，从而导致植入物失效或植入物周围的骨折。拓扑优化（TO）是一种在特殊载荷和边界条件下根据目标函数提供更有效材料分布的技术。一些研究人员密切关注拓扑优化以优化骨科植入物的设计。由于增材制造 (AM) 的发展，可以制造拓扑优化设计的复杂结构。
© The advances of topology optimization techniques in orthopedic implants: A review
拓扑优化的植入物比坚固的钛骨头要好。植入物中的小梁允许一定程度的弯曲，同时为植入者保持轻便和舒适。
下图显示了实心钛股骨植入物和全多孔 3D 打印钛股骨植入物之间的骨质流失差异。
© Journal of Orthopaedic Research
TMPS、晶格与梯度材料
上海交通大学医学院附属第九人民医院 史俊表示，医学学科不同，对于个性化的需求程度也是不同的，但个性化是个大趋势。口腔颌面外科对于个性化要求高，九院颌面外科在2012年后已经100%采用个性化治疗。3D打印技术在颌面外科手术规划、手术治疗中的应用是刚性需求。
近十年来，金属晶格结构与增材制造技术的结合受到越来越多的关注。为了确保增材制造技术制备的金属晶格结构在各个行业的可靠性，对其建模、优化、材料、工艺参数、结构以及性能之间的关系仍需要进一步的理解。
由于使用功能梯度开孔多孔金属生产骨科植入物的可能性，增材制造技术越来越引起植入物制造领域的关注。金属3D打印被应用于制造骨科植入物的主要目的是模仿骨骼的复杂结构，以增加植入物的骨整合。多孔材料的主要优点是减少了骨骼与植入物合金之间的弹性模量不匹配，减轻了应力屏蔽效果并改善了植入物的形态，为组织向内生长提供了生物材料锚固效应。
但目前常见的多孔设计方式并非是十全十美的，因为许多医疗设备需要足够的刚度模量和抗压强度，植入物的骨整合性能和机械性能之间可能需要进行折衷，通过降低骨整合的性能来改善机械性能，反之亦然。
植入物设计中所采用的代表性TPMS结构-螺旋（gyroid）是一种的典型的为增材制造而设计的结构，它们既具有高强度重量比，又具有非常高的表面积质量比，TPMS 结构在3D打印骨科植入物中的应用，为通过增材制造提升骨科植入物的寿命提供了新的设计优化思路。
ITPMS的优势
- 类似于皮质或小梁骨的刚度；
- 孔隙率-抗压强度比，允许植入物宏观结构保持足以执行植入物功能的抗压强度，同时提供足够的孔隙度以实现骨整合;
- 选择性各向异性，从而实现特定方向的机械性能；
- 高表面积-体积比，从而在不牺牲孔隙率的情况下减小植入物的尺寸/重量；
- 平均曲率为零，从而降低了应力集中，在制造过程中提供了自支撑以及恒定横截面的弯曲植入物表面。
不过通过PBF制造保护TPMS设计元素的骨科植入物过程还是充满挑战的，通常来说，3D打印过程首先将给定的CAD模型转换为立体光刻（STL）格式的网格表示，然后将网格切成一系列平面轮廓，最后生成激光路径以填充这些轮廓。但是，当切片的三角形数量过多时，三角形的数量会变得非常庞大，处理如此大量的三角形将占用过多的计算机内存和时间，导致无法在计算机上正常运行。当要打印的零件具有高度复杂的内部结构（例如，三重周期性最小表面（TPMS））时，情况就更糟了。由于这些原因，需要一种新的计算流水线来解决因处理PBF 3D打印技术在处理高度复杂的结构而引起的效率挑战。
根据3D科学谷的了解，《STL-free design and manufacturing paradigm for high-precision powder bed fusion》论文中通过无STL的概念解决效率问题，涵盖设计和制造的两个方面。具体来说，论文将设计的隐式实体建模与制造的直接切片无缝集成。
通过隐式建模，可以实现复杂的几何图形高效建模，没有任何与STL相关的表示；通过直接切片，可以直接从隐式几何图形生成激光路径，而无需任何与STL网格相关的中间步骤。然后，可以显著减少存储器和时间消耗。在论文中的实验中，基于3级TPMS的复杂晶格，内存使用量已减少到100MB，平均计算时间约为1s / slice。
© 《STL-free design and manufacturing paradigm for high-precision powder bed fusion》
如图所示，打印了3个级别的多尺度TPMS和骨骼支架。通过光学显微镜研究了TPMS的壁厚和粗糙度，显示出高打印精度（达到设计规格）和低粗糙度（Ra～3）。与传统的PBF工艺相比，可以实现μm级精度）。
整体化解决方案
当然，正如《中澳联合综述-金属晶格结构的增材制造》一文说揭示的，增材制造技术不是万能的，在制备金属晶格结构方面仍然存在一些限制和挑战。例如增材制造制备金属的晶格结构具有较高的表面粗糙度，需要先减小表面粗糙度才能投入使用；粉末床熔融金属3D打印技术通常需要在特定的气氛腔中加工，所以加工的工件一般体积不大；而直接能量沉积和熔融沉积成型精度稍低，加工精细结构稍显不足；金属晶格结构往往需要经过表面处理后才具备更好的表面功能性，但由于金属晶格结构复杂，目前尚未有针对性的表面处理技术。
一个典型的案例是GF加工方案与3D Systems所打造的工厂自动化的新概念，包括增材制造零件设计软件，3D打印机，材料和自动化材料处理，放电加工（EDM）设备，铣削设备以及其他先进后处理技术。拿人体的骨科植入物的加工来说，在增材制造的过程中，直接在3D打印过程中构建在用于后处理加工中铣削作业便于夹紧的工装板上，方便了从不同设备的加工转换过程中夹具夹紧的精确定位。
在这方面，需要更多的3D打印生态圈的合作，为3D打印在骨科方面的发展提供一站式的集成的增材制造解决方案。
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