3D打印個性化手指關節(jié),FingerKit大幅改善手指活動能力

類風濕性關節(jié)炎等關節(jié)疾病或因受傷引起的關節(jié)疾病會導致患肢十分痛苦，診療過程有時也會非常痛苦，有時甚至要以毀掉專業(yè)人員的職業(yè)生涯作為代價。但現(xiàn)在隨著科技的逐步發(fā)展，人們對關節(jié)疾病的治療提出了很多新的方法。2022年12月，南極熊獲悉，來自弗勞恩霍夫研究所的專家聯(lián)盟使用了AI 和3D打印技術，為患者制作個性化的關節(jié)植入物。



FingerKit 聯(lián)盟

這種診療技術的發(fā)展藥歸功于FingerKIt項目，F(xiàn)ingerKIt 的目標是首次開發(fā)用于生產定制設計植入物的端到端自動化流程鏈。該聯(lián)盟還包括增材制造技術研究所 (IAPT)、陶瓷技術與系統(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) 和研究所用于數(shù)字醫(yī)學 (MEVIS)，每個小組都將他們自己特定領域的專業(yè)知識帶入該項目，提供足夠的技術支撐。

在 Fraunhofer IAPT 的領導下，此團隊首次實現(xiàn)了從設計到生產再到符合認證測試的患者專用植入物制造的連續(xù)自動化流程鏈。該項目的工作重點是不斷推動指關節(jié)植入物市場。相對較小的植入物在個體適應性和生物力學負荷方面受到高要求。因此，無論是在類風濕性關節(jié)炎還是外傷的情況下，傳統(tǒng)的治療形式都經常導致關節(jié)僵硬�，F(xiàn)在，人們能夠為關節(jié)疾病提供一種新的治療方法，并通過個性化調整的關節(jié)植入物實現(xiàn)手指關節(jié)的再活動，這也是該聯(lián)盟的核心技術目標。


△連續(xù)自動化流程鏈

打印的指關節(jié)植入物


△由 AI 進行 3D 建模，并打印成自定義尺寸（圖片來源：Fraunhofer Institute）

目前，如果手指關節(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，會進行聯(lián)合融合手術。這個過程，也稱為關節(jié)固定術，在手術過程中，受損的關節(jié)需要由醫(yī)護人員手動拉直，其中的軟骨被移除，使得骨骼定位在某一位置達到足夠長的時間，以便它們自然融合在一起。但這將導致手指不能彎曲和自由活動。

在使用傳統(tǒng)植入物的情況下，選擇是有限的�；颊呖梢赃x擇硅膠植入物，但它有松動的風險，需要進一步手術來矯正�；蛘撸�患者可以選擇標準植入物，但它僅提供某些標準尺寸，并且不能完全恢復相關手指的全部運動范圍。

因此，最佳解決方案需要解決與傳統(tǒng)植入物相關的這兩個缺陷的解決方案。也就是說，最好的關節(jié)是不會松動的，并且還可以讓手指恢復全部活動范圍。為此，定制個性化的手指植入物是最好的解決方案。這就是 FingerKIt 聯(lián)盟通過其 AI和3D打印進行關節(jié)制造的目標。

由 Fraunhofer 工程師和科學家開發(fā)的工作流程在很大程度上是自動化的，并且消除了大量的人力物力：



●具體來說，研究人員開發(fā)了利用人工智能將 2D X 射線圖像轉換為手指骨骼和關節(jié)的 3D 模型的軟件。然后可以在 3D 模型中對損壞的關節(jié)進行任何修正。

●Fraunhofer IAPT（AM 組）的研究人員隨后使用 AI 從手指模型中推導出個體植入物設計并將其發(fā)送至 3D 打印。

●然后使用金屬粘合劑噴射工藝以高分辨率制造替換接頭。由 Fraunhofer IKTS 的工程師進行燒結、固化和致密化。組后可以將近凈形部件進行精加工，以減少粗糙度并在植入患者體內時實現(xiàn)更好的運動。



Fraunhofer IAPT 增材制造工藝鑒定部門負責人 Philipp Imgrund 博士說：“由于植入軸的結構非常精細，我們選擇使用金屬粘合劑噴射 3D 打印方法來打印鈦，這種方法可以極其精確地生產小型、復雜的植入物，還使我們能夠以這樣一種方式構建軸的表面，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�！�

Fraunhofer IKTS（陶瓷集團）也展示了使用陶瓷材料制造植入物，這些植入物通過注漿法進行加工。Fraunhofer ITEM（毒理學組）一直在處理材料的生物相容性和植入物的認證，F(xiàn)raunhofer IWM（材料力學組）一直在進行部件的機械模擬。

充滿希望的未來
Fraunhofer 聯(lián)盟的新工作流程可以生產和植入高度定制的部件，所用時間僅為傳統(tǒng)方法通常生產時間的 60%。這意味著從 X 光到植入的整個過程可以在短短幾天內完成。這將縮短住院天數(shù)，從而降低住院費用。

而且這個工作流程不僅僅適用于彎曲的手指，還可以應用于骨骼缺失或較小關節(jié)的患者。據(jù)德國風濕病學會稱，德國約有 2% 的成年人患有炎癥性風濕病，這些疾病可以通過 Fraunhofer 過程進行治療。

FingerKIt 項目中的技術開發(fā)現(xiàn)已達到成熟點，產品和流程已為市場做好準備。該項目目前正在努力獲得必要的批準，并且還在尋求醫(yī)療工程領域的企業(yè)合作伙伴關系，以幫助將 FingerKIt 推向市場。