膝關節前交叉韌帶（ACL）損傷是一種嚴重的損傷，恢復過程漫長而痛苦。損傷嚴重的患者需要接受ACL 修復或置換手術時。在手術時醫生首先需要將與脛骨和股骨連結的殘存韌帶移除，然后模仿人體天然韌帶的”路徑“ 植入移植韌帶。不難想象，操作這樣一臺力求精準和微創的手術，不僅對醫生的手術水平提出了極高要求，還對手術工具提出不小的挑戰。

　　為了提升此類手術的精準度，美國 DanaMed Inc公司 對ACL 手術中用到的韌帶導向器進行了設計優化，并使用金屬3D打印技術直接制造。研發團隊在設計上進行了哪些改進？ 他們為什么選擇了3D打印技術？本期，3D科學谷就和你一起找答案。

　　ACL手術工具有兩個部分組成，一部分是3D打印的韌帶導向器；另一部分是一個直徑2.2毫米的特殊柔性導向鉆。其中3D打印的韌帶導向器是手術工具的關鍵部分，因為它可以讓醫生在膝關節的外面靈活而精準的操控進入到關節內部的導向針。通過這樣的手術工具，可以在膝關節微創的情況下開展ACL修復或置換手術。

　　探索膝關節的

　　“天然路徑”

　　來源：AM

　　醫生手握的手柄區域占整個韌帶導向器的95%，導向器的頂端雖然僅占5%的比例，但卻是設計優化的重點區域。這是由于導向器的頂端在手術時將進入到膝關節內部，并控制導向鉆頭進行手術治療，所以導向器的設計需要遵循人體韌帶在膝關節和肌肉中的天然“路徑”。我們可以設想一下，這種遵循天然“路徑”的設計是不是可以游刃有余的在人體組織之間“行走”呢？

　　然而韌帶在體內的“路徑”錯綜復雜，遵循這種設計思路探索矯正器的設計并不容易， 對設師的在外科和工程領域的專業能力提出了挑戰。

　　遵循天然 “路徑” 設計的導向器頂端的槽型和角度比較復雜。制造材料是鎳基合金材料（Inconel 718 ），屬于難加工材料。如果使用機加工技術制造這種復雜形狀，需要分為多個部分、更長的制造時間、消耗更多的材料以及制造成本。使用機加工技術時，制造成本將隨著零部件復雜程度的增加而迅速上升，而使用3D打印技術對產品的復雜性不敏感。也就是越復雜的零部件越適合使用3D打印技術。韌帶導向器的設計復雜性則決定了它更適合使用3D打印技術進行制造，以可接受的成本制造出導向器復雜的形狀。

　　研發人員選擇與美國Stratasys 直接制造服務中心合作，首先用FDM 3D打印機打印導向器的設計原型，進行設計驗證。設計方案成熟之后，使用選擇性激光熔化金屬3D打印技術制造手術工具。

　　尺寸：導向器頂端尺寸分為5.5毫米和7.7毫米兩種型號。金屬3D打印技術可以流暢、準確其尺寸和形狀。

　　強度：鎳合金材料的密度為導向器提供了必要的強度和重量的平衡點，讓醫生可以更好的控制導向鉆。手柄和導向器頂端一體式設計，也為醫生靈活的控制手術工具提供了堅實基礎。

　　形狀：導向器手柄的設計符合人體工程學。導向器頂端部分在設計時遵循了人體韌帶的”路徑“，所以與關節解剖結構相匹配。這些小細節都為醫生靈活、精準的實施手術奠定基礎。

　　后處理：在完成3D打印之后，將進行嚴格的后處理，包括：去除支撐結構、表面拋光、清洗和消毒。

　　快速的設計迭代

　　雖然金屬3D打印技術在制造復雜的韌帶導向器時比傳統技術更具優勢，但是制造過程并非一帆風順的。在首批制造的6個韌帶導向器中，有5個導向器由于尺寸的不精確是無法投入使用的。這是由于在金屬打印完成之后金屬材料的冷卻引起了產品尺寸的變化。在改進產品設計時，需要考慮到冷卻過程中的熱收縮和拋光過程對產品尺寸帶來的改變。

　　為了讓手術更加精準，韌帶導向器的設計優化之路似乎是永無止境的。因此即使是質量合格的導向器，研發人員也會根據醫生的反饋做進一步的設計迭代。從收集到醫生反饋意見，到進行再次設計和3D打印，往往在一周之內就可以拿到新的導向器。只要有優化的設計方案，就可以隨時3D打印新產品。相比使用模具進行制造，3D打印操作起來十分靈活。