案例 l 金属3D打印在微型精密心脏手术器械设计与制造中的应用
在心脏微创手术中，医生需要使用一些微小、精密的手术器械。但这类手术器械的存在制造难度很高，研发周期长且研发成本不菲等问题。此外，在使用传统的制造技术的情况下，医疗器械企业很难在手术器械的设计上进行突破。面对这些问题，英国Sutrue 公司借助金属3D打印技术，在手术器械的设计上进行了优化。
本期，3D科学谷将Sutrue 3D打印心脏手术器械的应用案例与谷友进行分享，让我们借此来了解一下3D打印特别是金属3D打印技术在微型手术医疗器械制造领域的应用潜力。
提升设计空间
与手术器械性能
Sutrue 公司创始人和英国皇家Brompton医院的心脏专家 Richard Trimlett 合作拓展了金属3D打印技术在微创心脏手术缝合器和心脏稳定器制造中的应用。
多年来手术的缝合始终延续着传统的方式，每年全球约有24万名医生在进行手术的过程中被缝合针刺伤，不仅如此，传统的缝合方式对个人经验的依赖性高。Suture 公司设计了一种自动心脏手术缝合器，使用医生可以快速而精准的对伤口进行缝合，缩短手术的时间。同时，由于良好的缝合效果，有利于患者更快恢复。
这款缝合器非常的微小，用于心脏内窥镜手术，在手术时缝合器将穿过一个像饮水吸管一样细的管子，并移动到指定位置，其头部可以灵活旋转，以便到达任何所需的方位。在进行缝合时，针头轻柔而精准的旋转。能够实现这些如此精细的功能，得益于缝合器械中复杂的微型齿轮零件。而这些复杂、微小而精密的齿轮正是Suture公司通过粉末床激光熔化金属3D打印设备制造的。
齿轮上的齿长度仅为0.4mm。在一次3D打印中，可以同时打印数百个这样的微型齿轮，具体数量与打印机尺寸有关，例如，Sutrue公司使用的Concept Laser Mlab Cusing 200R 设备，最多可同时打印600个。Sutrue采用的打印材料是316L不锈钢，打印完成后没有进行精加工。
这种创新的设计对于心脏外科医生来说能够进行快速而精准的缝合，每个针迹都可达到可重复的精度，缝合速度可达到针头每秒钟旋转3次。这意味着手术的时间将进一步缩短，而手术时间减少有助于降低手术风险。
Sutrue 公司还针对心脏手术中用到的心脏稳定器进行了设计优化。心脏稳定器是心脏不停跳冠脉搭桥手术的关键器械之一，在体外循环心脏手术中，医生需要使用心脏稳定器进行干预。Richard Trimlett 医生表示，在手术中，医生需要在跳动的心脏上进行手术治疗，在开胸手术中，医生可以使用比较大的稳定器，但是在微创手术中，医生需要用到微小的稳定器。
针对临床医生的需求，设计团队开始探索如何设计一个足够微小的稳定器，以及如何设计与制造定制化的微型心脏稳定器。设计优化后的稳定器由3D打印技术分成两个部分制造，一部分是塑料材质的，由SLS 选择性激光烧结3D打印设备制造，另一部分是金属的，由粉末床激光熔化3D打印设备制造。外科医生在使用时将稳定器按压到需要保持干预的区域。
心脏稳定器的设计开发过程在三个月之内即完成了，在研发中使用3D打印技术进行快速制造，使研发速度显著提升。Suture公司表示，研发成本约1.5万英镑，而如果采用传统制造方式，类似的研发项目需要花费上百万英镑的成本。
Richard Trimlett 医生站在医疗效果的角度上，认为经过优化设计的3D打印手术器械使患者直接受益，患者的康复时间从术后平均6个月缩短至3到4周。
Sutrue 公司进行手术器械研发领域已有超过10年的经验，在研发中使用增材制造/3D打印技术已有7年的历史。对于Sutrue的研发团队来说，增材制造技术的意义不仅在于研发阶段能够快速制造出产品原型，还在于该技术能够生产出非常复杂的几何形状，包括那些非常微小并具有高性能和功能精度的手术器械，这些器械往往是被外科医生所需要，但是通过以往的技术没有制造出来的。除此之外，Sutrue的团队在设计时可以尝试进一步减少手术器械的零件数量，探索整体的、功能集成式的产品，这些设计方案在制造和组装中会节省一定的成本。Sutrue 的下一个目标是通过金属3D打印技术实现心脏泵的设计优化，他们将使这个器械变得更加微小。
增材制造技术在制造复杂、微型手术器械领域的应用潜力已逐渐为手术器械制造用户所挖掘，根据3D科学谷的市场研究，美国 DanaMed Inc公司也曾进行了类似的探索。DanaMed 对膝关节前交叉韧带（ACL）手术器械进行了设计优化，并使用金属3D打印设备制造器械中的韧带导向器，导向器顶端尺寸分为5.5毫米和7.7毫米两种型号，打印材质为难加工材料镍合金（Inconel 718 ）。这也是一种复杂几何结构，尺寸微小的器械。金属3D打印技术的使用给手术器械的仿生设计优化带来了更大空间，设计师能够尝试通过以往的制造技术无法实现的设计。未来，是否有更多微型的手术器械可以通过金属3D打印技术实现设计上的突破和产品性能的提升？让我们拭目以待。
查找往期文章，请登陆www.51shape.com,在首页搜索关键词
网站投稿请发送至editor@51shape.com
欢迎转载，如需加入白名单请将微信公众号回复至3D科学谷微信公众号
点击延伸阅读
点击“阅读原文”
报名三帝科技定制班
广告合作请加3D科学谷QQ：2509957133
3D科学谷3D产业链QQ群：529965687
项目寻求融资报道，请发送介绍至editor@51shape.com
加入3D科学谷微信群请先加群主微信号daisylinzhu