根據3D科學穀的市場觀察，3D打印在植入物方麵可以發揮的優(you) 勢是，通過采用正確的設計，種植體(ti) 可以模製成更接近人體(ti) 骨骼的形狀和硬度。而有趣的是為(wei) 了更加接近人體(ti) 骨骼的形狀和硬度，可以采用更為(wei) “自動化”的建模方式。

▲©3D科學穀

“自動化”的建模成就更好的植入物

理論上來講，每次治療都應是個性化的, 但目前並不是所有患者都有那麽高的個性化要求，目前多數骨科手術中使用的是標準化植入物。3D打印個性化植入物主要用於解決傳統手術無法解決的問題，以及滿足高端醫療需求。比如說，在骨腫瘤修複手術中個性化3D打印植入物能夠滿足傳統方式所不能滿足的需求，對於醫生與患者來說是剛性需求。3D打印個性化植入物作為一種新技術將在很長時期內與傳統技術共存，在剛需病例的基礎上進行長期積累、總結後，將逐漸取代傳統的技術。 上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院 郝永強

/創成式設計

喬(qiao) 布斯(Steve Jobs) 曾經說過，21世紀最好的創新是將生物學與(yu) 技術相交叉。

在設計航空航天、醫療產(chan) 品或汽車部件時，此前人類可能從(cong) 未想過向螞蟻和尋光植物細胞尋求建議，但如果使用創成式設計軟件來塑造零件的設計，不過這一切已經不是夢想，實際上已經在做了。

軟件方麵，當前在3D打印領域，提到最多的可能是拓撲優化，而不是創成式設計。雖然很多場合二者都是混為一談的，但細究起來創成式設計（Generative Design）是根據一些起始參數通過迭代並調整來找到優化的模型。拓撲優化（Topology Optimization）是對給定的模型進行分析，常見的是根據邊界條件進行有限元分析，然後對模型變形或刪減來進行優化。 3D科學穀

創成式設計應用在醫療植入物領域的一個(ge) 經典案例是加利福尼亞(ya) 州的醫療公司NuVasive創建了珊瑚狀的脊柱植入物，由鈦製成，精確地放在兩(liang) 塊椎骨之間。通過模仿人體(ti) 骨骼的多孔性和硬度，它可以加速手術後的骨骼生長與(yu) 康複。

▲©NuVasive

脊柱外科醫生通常使用由高性能塑料製成的植入物，因為(wei) 材料比金屬剛性小，但也是多孔的。但NuVasive的研究表明，采用正確的設計，鈦可以塑造成更接近人體(ti) 骨骼的形狀和硬度 – 與(yu) 塑料相比更強大。但是如何在保持這種強度的同時使它變得多孔而且更加接近人體(ti) 骨骼的真實狀態？NuVasive嚐試了創成式設計軟件。

創成式設計的過程是這樣的，NuVasive將約束條件（如種植體(ti) 的重量和多孔性）設置到軟件中，然後要求該算法提供適合該約束條件的建模解決(jue) 方案。計算機建模不僅(jin) 快速，而且可以破除一些思維的束縛，人類對很多事物都有著先入為(wei) 主的觀念，這使得原創想法並不容易實現。

設計人員在設計中用到了Autodesk的Dreamcatcher程序，創造出擁有不尋常的複雜幾何結構設計作品。

為(wei) 什麽(me) 我們(men) 需要將生物學的概念引入製造中呢？大自然創造的生物結構巧妙而複雜，人們(men) 如何將這些大自然的作品“複製”到工業(ye) 製造中呢？日益發展的智能化設計軟件與(yu) 3D打印技術為(wei) 我們(men) 提供了一條創造仿生結構的捷徑。

大自然的很多材料具有很強的適應性，而人造材料則不然。鋼始終致密；陶瓷易碎，塑料有彈性。由這些製成的零件在整個(ge) 過程中都表現出源材料的屬性。另一方麵，大自然中的很多物體(ti) 出於(yu) 多種目的在不同區域表現出適應性密度、彈性和脆性（例如肌肉、靜脈和骨骼的組合）。

這驅動著設計者探索如何將大自然的材料在彈性、密度和脆性方麵不斷變化的能力引入到產(chan) 品的設計中來。而這將使得未來，人們(men) 對具有微觀轉變的材料產(chan) 生濃厚興(xing) 趣。

創成式設計將激發設計師通過手動建模不易獲得的思想靈感，創造出擁有不尋常的複雜幾何結構設計作品。3D打印技術由於(yu) 可以將複雜的設計轉化為(wei) 現實，注定已成為(wei) 創成式設計的“好夥(huo) 伴”。

在3D科學穀看來，在所有創造價(jia) 值的源頭，在所有可能顛覆的源頭，算法無疑是最重要的部分之一。當前含有創成式功能的設計軟件包括：Autodesk 的 Fusion 360，西門子的 NX，PTC 的 Creo Generative Design創成式設計，海克斯康MSC 軟件的 MSC Apex 創成式設計，nTopology 的 nTop 平台，ELISE，Desktop metal 的 Live Parts，ParaMatters等。

拿nTopology 的 nTop 平台舉(ju) 例。

▲©nTopology

nTop 基於(yu) 隱式建模，這種實現3D 形狀的方式比 傳(chuan) 統CAD 文件快數千倍，文件更小，而且複雜性不會(hui) 破壞係統，nTopology 使用戶可以完全控製創成工作流、優(you) 化過程及其輸出的各個(ge) 方麵。創建可重用的工作流，以滿足用戶的應用程序的獨特要求。

自1970年代首次開發b-reps係統以來，計算機硬件領域已經發生了巨大的變化。電腦現在配有多個(ge) CPU和以及強大的GPU，處理數據的能力大大增強。但由於(yu) B-reps算法包含很多特例性的分支，導致其並不適合在GPU上實現。而nTop則可以同時運用這兩(liang) 者，隨著遊戲行業(ye) 的蓬勃發展，GPU的性能也得到了迅速發展，可以預見nTop和隱式建模的前景是非常廣闊的。

關(guan) 於(yu) 創成式設計的發展現狀的更多信息，請參考3D科學穀發布的《》。

/拓撲優(you) 化

很多3D打印標準化植入物獲得了FDA的認證，3D打印技術在製造多孔結構、拓撲優化結構等複雜結構中具有優勢，可以說3D打印技術在標準件製造的應用也是必然趨勢。 美敦力 耿芳

由於(yu) 骨骼和植入物的彈性模量不匹配，臨(lin) 床上經常會(hui) 出現應力屏蔽，從(cong) 而導致植入物失效或植入物周圍的骨折。拓撲優(you) 化（TO）是一種在特殊載荷和邊界條件下根據目標函數提供更有效材料分布的技術。一些研究人員密切關(guan) 注拓撲優(you) 化以優(you) 化骨科植入物的設計。由於(yu) 增材製造 (AM) 的發展，可以製造拓撲優(you) 化設計的複雜結構。

▲©The advances of topology optimization techniques in orthopedic implants: A review

拓撲優(you) 化的植入物比堅固的鈦骨頭要好。植入物中的小梁允許一定程度的彎曲，同時為(wei) 植入者保持輕便和舒適。

下圖顯示了實心鈦股骨植入物和全多孔 3D 打印鈦股骨植入物之間的骨質流失差異。

▲©Journal of Orthopaedic Research

/TMPS、晶格與(yu) 梯度材料

醫學學科不同，對於個性化的需求程度也是不同的，但個性化是個大趨勢。口腔頜麵外科對於個性化要求高，九院頜麵外科在2012年後已經100%采用個性化治療。3D打印技術在頜麵外科手術規劃、手術治療中的應用是剛性需求。 上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院 史俊

近十年來，金屬晶格結構與(yu) 增材製造技術的結合受到越來越多的關(guan) 注。為(wei) 了確保增材製造技術製備的金屬晶格結構在各個(ge) 行業(ye) 的可靠性，對其建模、優(you) 化、材料、工藝參數、結構以及性能之間的關(guan) 係仍需要進一步的理解。

由於(yu) 使用功能梯度開孔多孔金屬生產(chan) 骨科植入物的可能性，增材製造技術越來越引起植入物製造領域的關(guan) 注。金屬3D打印被應用於(yu) 製造骨科植入物的主要目的是模仿骨骼的複雜結構，以增加植入物的骨整合。多孔材料的主要優(you) 點是減少了骨骼與(yu) 植入物合金之間的彈性模量不匹配，減輕了應力屏蔽效果並改善了植入物的形態，為(wei) 組織向內(nei) 生長提供了生物材料錨固效應。

但目前常見的多孔設計方式並非是十全十美的，因為(wei) 許多醫療設備需要足夠的剛度模量和抗壓強度，植入物的骨整合性能和機械性能之間可能需要進行折衷，通過降低骨整合的性能來改善機械性能，反之亦然。

植入物設計中所采用的代表性TPMS結構-螺旋（gyroid）是一種的典型的為(wei) 增材製造而設計的結構，它們(men) 既具有高強度重量比，又具有非常高的表麵積質量比，TPMS 結構在3D打印骨科植入物中的應用，為(wei) 通過增材製造提升骨科植入物的壽命提供了新的設計優(you) 化思路。

I TPMS 的優(you) 勢

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  類似於(yu) 皮質或小梁骨的剛度；

  
  

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  孔隙率-抗壓強度比，允許植入物宏觀結構保持足以執行植入物功能的抗壓強度，同時提供足夠的孔隙度以實現骨整合;

  
  

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  選擇性各向異性，從(cong) 而實現特定方向的機械性能；

  
  

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  高表麵積-體(ti) 積比，從(cong) 而在不犧牲孔隙率的情況下減小植入物的尺寸/重量；

  
  

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  平均曲率為(wei) 零，從(cong) 而降低了應力集中，在製造過程中提供了自支撐以及恒定橫截麵的彎曲植入物表麵。

  
  

不過通過PBF製造保護TPMS設計元素的骨科植入物過程還是充滿挑戰的，通常來說，3D打印過程首先將給定的CAD模型轉換為(wei) 立體(ti) 光刻（STL）格式的網格表示，然後將網格切成一係列平麵輪廓，最後生成激光路徑以填充這些輪廓。但是，當切片的三角形數量過多時，三角形的數量會(hui) 變得非常龐大，處理如此大量的三角形將占用過多的計算機內(nei) 存和時間，導致無法在計算機上正常運行。當要打印的零件具有高度複雜的內(nei) 部結構（例如，三重周期性最小表麵（TPMS））時，情況就更糟了。由於(yu) 這些原因，需要一種新的計算流水線來解決(jue) 因處理PBF 3D打印技術在處理高度複雜的結構而引起的效率挑戰。

根據3D科學穀的了解，《STL-free design and manufacturing paradigm for high-precision powder bed fusion》論文中通過無STL的概念解決(jue) 效率問題，涵蓋設計和製造的兩(liang) 個(ge) 方麵。具體(ti) 來說，論文將設計的隱式實體(ti) 建模與(yu) 製造的直接切片無縫集成。

通過隱式建模，可以實現複雜的幾何圖形高效建模，沒有任何與(yu) STL相關(guan) 的表示；通過直接切片，可以直接從(cong) 隱式幾何圖形生成激光路徑，而無需任何與(yu) STL網格相關(guan) 的中間步驟。然後，可以顯著減少存儲(chu) 器和時間消耗。在論文中的實驗中，基於(yu) 3級TPMS的複雜晶格，內(nei) 存使用量已減少到100MB，平均計算時間約為(wei) 1s / slice。

▲©《STL-free design and manufacturing paradigm for high-precision powder bed fusion》

如圖所示，打印了3個(ge) 級別的多尺度TPMS和骨骼支架。通過光學顯微鏡研究了TPMS的壁厚和粗糙度，顯示出高打印精度（達到設計規格）和低粗糙度（Ra～3）。與(yu) 傳(chuan) 統的PBF工藝相比，可以實現μm級精度）。

/整體(ti) 化解決(jue) 方案

當然，正如《中澳聯合綜述-金屬晶格結構的增材製造》一文說揭示的，增材製造技術不是萬(wan) 能的，在製備金屬晶格結構方麵仍然存在一些限製和挑戰。例如增材製造製備金屬的晶格結構具有較高的表麵粗糙度，需要先減小表麵粗糙度才能投入使用；粉末床熔融金屬3D打印技術通常需要在特定的氣氛腔中加工，所以加工的工件一般體(ti) 積不大；而直接能量沉積和熔融沉積成型精度稍低，加工精細結構稍顯不足；金屬晶格結構往往需要經過表麵處理後才具備更好的表麵功能性，但由於(yu) 金屬晶格結構複雜，目前尚未有針對性的表麵處理技術。

一個(ge) 典型的案例是GF加工方案與(yu) 3D Systems所打造的工廠自動化的新概念，包括增材製造零件設計軟件，3D打印機，材料和自動化材料處理，放電加工（EDM）設備，銑削設備以及其他先進後處理技術。拿人體(ti) 的骨科植入物的加工來說，在增材製造的過程中，直接在3D打印過程中構建在用於(yu) 後處理加工中銑削作業(ye) 便於(yu) 夾緊的工裝板上，方便了從(cong) 不同設備的加工轉換過程中夾具夾緊的精確定位。

在這方麵，需要更多的3D打印生態圈的合作，為(wei) 3D打印在骨科方麵的發展提供一站式的集成的增材製造解決(jue) 方案。

l 參考資料：“Additive manufacturing of metallic lattice structures: unconstrained design, accurate fabrication, fascinated performances, and challenges”