3D打印技术如何改变医疗设备领域2020-03-03
随着技术的发展,通过3D打印技术(也称为增材制造)提供一种新的构造方式,医疗设备植入物变得越来越复杂。增材制造使植入物能够以传统制造无法实现的复杂几何形状进行制造。这最终提供了生物学上的益处,通过创造复杂的特征,从而提供了更好的患者输出以及结构上的优势。

另外,能够制造这些设备以符合患者的解剖结构是改变游戏规则的人。越来越多的微创增材制造的植入物意味着未来发生并发症或进行进一步手术的风险更低。当由于较小的植入物而使患者满意度提高时,整个行业就会发展。

2018年,医疗设备植入物行业的产值为966亿美元,预计到2024年将达到1,433亿美元。这种增长可以归因于以下几方面:先进的技术,更多的并发症,更长的寿命以及更长的健康期随着消费者对身体美学和外观的趋向增加。

髋关节置换术
这是用于全髋关节置换的原型髋臼杯。

深入了解3D打印技术

多年以来,增材制造技术已经发生了广泛的发展,以至于结合更快的打印速度创造了多种技术。这些技术通过依次添加多层材料薄层来形成固体材料。一种这样的技术使用激光将粉末熔合在一起以产生固体部件。如先前所述,能够逐层打印可以打印复杂的零件。除了复杂的几何形状之外,打印机还可以使用所有不同种类的材料,不仅可以使用塑料和金属,还可以使用诸如生物墨水(载有细胞和其他生长材料的生物材料)之类的介质来进行器官的打印。

3D打印技术


为什么需要计算机断层扫描(CT)X射线技术
金属3D打印面临的挑战是,当各层融合在一起时会出现不一致的热梯度。在冷却期间,这将在植入物内产生空隙或裂缝。当植入物中存在裂缝和孔洞时,其结构完整性可能会受到损害,因此会被削弱。这些缺陷可能很难定位,尤其是内部缺陷。您如何确定缺陷的原因和位置以进一步改进设计?通过使用X射线。

1. CT可以捕获最小的细节。
科学家认为,使用X射线而不是热成像设备可以揭示坑形成的秘密。能源部SLAC国家加速器实验室的科学家正在使用两种不同的X射线技术,一种可以捕获随着金属层堆积而发生的事情的微米级分辨率图像,另一种可以从材料中的原子弹回X射线。在熔化然后冷却时分析其原子结构。拥有可以执行计算机断层扫描的系统的好处在于,它还可以执行数字射线照相或2D图像。这将使用户能够看到小至5微米的细节。

髋臼杯髋臼杯
髋臼杯原型的剖面图显示了确切的表面形态分布。

2. CT有助于标准化质量控制。
随着更多增材制造的植入物的生产,质量控制变得非常重要。设备的完整性必须良好,否则植入时任何类型的缺陷都可能导致设备崩溃或发生故障。但是,许多3D打印机所生产的产品可能不如通过传统制造方式生产的产品。

标准化某些东西的最好方法是根据参数保持一致的零件外观记录。对于3D打印技术,质量和安全至关重要,而CT是评估质量的最佳无损方法。

3.帮助改善设计
计算机断层扫描还可以帮助改进设计。CT允许进行各种分析,例如模拟结构力学以观察植入物在压力下如何压缩,进行孔隙率分析以查找缺陷,甚至进行粉末分析来确定多孔和过滤材料中的孔结构。

3D打印技术


“能够准确地看到结构的构建方式,然后将数字CT扫描与打印零件的主模型进行比较,从而使加成合同制造商有信心知道流程处于受控状态,”马特说Tangible Solutions的工程总监Shomper。

能够对植入物进行如此程度的分析,可以使设计人员修改形状以增强结构较弱的区域的完整性。对于公差非常严格的设计,壁厚分析可以创建极其精确的测量。

我们与钛整形外科植入物的合同制造商Tangible Solutions合作,以扫描本文显示的其增材制造的植入物的原型样品。我们能够看到表面和内部的所有细节,执行孔隙率测试并分析2D切片。

总体而言,计算机断层扫描是3D打印技术的补充,将有助于该行业的发展。将CT用作质量控制工具可以帮助为全球患者提供更好的保健产品的希望。


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