3D打印个性化手指关节

类风湿性关节炎等关节疾病或因受伤引起的关节疾病会导致患肢十分痛苦，诊疗过程有时也会非常痛苦，有时甚至要以毁掉专业人员的职业生涯作为代价。但现在随着科技的逐步发展，人们对关节疾病的治疗提出了很多新的方法。2022年12月，南极熊获悉，来自弗劳恩霍夫研究所的专家联盟使用了AI 和3D打印技术，为患者制作个性化的关节植入物。

FingerKit 联盟

这种诊疗技术的发展药归功于FingerKIt项目，FingerKIt 的目标是首次开发用于生产定制设计植入物的端到端自动化流程链。该联盟还包括增材制造技术研究所 (IAPT)、陶瓷技术与系统研究所 (IKTS)、毒理学与实验医学研究所 (ITEM)、材料力学研究所 (IWM) 和研究所用于数字医学 (MEVIS)，每个小组都将他们自己特定领域的专业知识带入该项目，提供足够的技术支撑。

在 Fraunhofer IAPT 的领导下，此团队首次实现了从设计到生产再到符合认证测试的患者专用植入物制造的连续自动化流程链。该项目的工作重点是不断推动指关节植入物市场。相对较小的植入物在个体适应性和生物力学负荷方面受到高要求。因此，无论是在类风湿性关节炎还是外伤的情况下，传统的治疗形式都经常导致关节僵硬。现在，人们能够为关节疾病提供一种新的治疗方法，并通过个性化调整的关节植入物实现手指关节的再活动，这也是该联盟的核心技术目标。

△连续自动化流程链

打印的指关节植入物

△由 AI 进行 3D 建模，并打印成自定义尺寸（图片来源：Fraunhofer Institute）

目前，如果手指关节因意外或受伤而失去功能，治疗方法是有限的。在大多数情况下，会进行联合融合手术。这个过程，也称为关节固定术，在手术过程中，受损的关节需要由医护人员手动拉直，其中的软骨被移除，使得骨骼定位在某一位置达到足够长的时间，以便它们自然融合在一起。但这将导致手指不能弯曲和自由活动。

在使用传统植入物的情况下，选择是有限的。患者可以选择硅胶植入物，但它有松动的风险，需要进一步手术来矫正。或者，患者可以选择标准植入物，但它仅提供某些标准尺寸，并且不能完全恢复相关手指的全部运动范围。

因此，最佳解决方案需要解决与传统植入物相关的这两个缺陷的解决方案。也就是说，最好的关节是不会松动的，并且还可以让手指恢复全部活动范围。为此，定制个性化的手指植入物是最好的解决方案。这就是 FingerKIt 联盟通过其 AI和3D打印进行关节制造的目标。

由 Fraunhofer 工程师和科学家开发的工作流程在很大程度上是自动化的，并且消除了大量的人力物力：

●具体来说，研究人员开发了利用人工智能将 2D X 射线图像转换为手指骨骼和关节的 3D 模型的软件。然后可以在 3D 模型中对损坏的关节进行任何修正。

●Fraunhofer IAPT（AM 组）的研究人员随后使用 AI 从手指模型中推导出个体植入物设计并将其发送至 3D 打印。

●然后使用金属粘合剂喷射工艺以高分辨率制造替换接头。由 Fraunhofer IKTS 的工程师进行烧结、固化和致密化。组后可以将近净形部件进行精加工，以减少粗糙度并在植入患者体内时实现更好的运动。

Fraunhofer IAPT 增材制造工艺鉴定部门负责人 Philipp Imgrund 博士说：“由于植入轴的结构非常精细，我们选择使用金属粘合剂喷射 3D 打印方法来打印钛，这种方法可以极其精确地生产小型、复杂的植入物，还使我们能够以这样一种方式构建轴的表面，使其更有效地生长到骨骼中。此外，这最大限度地减少了接合面所需的精加工工作，接合面需要尽可能光滑和无摩擦。”

Fraunhofer IKTS（陶瓷集团）也展示了使用陶瓷材料制造植入物，这些植入物通过注浆法进行加工。Fraunhofer ITEM（毒理学组）一直在处理材料的生物相容性和植入物的认证，Fraunhofer IWM（材料力学组）一直在进行部件的机械模拟。

充满希望的未来

Fraunhofer 联盟的新工作流程可以生产和植入高度定制的部件，所用时间仅为传统方法通常生产时间的 60%。这意味着从 X 光到植入的整个过程可以在短短几天内完成。这将缩短住院天数，从而降低住院费用。

而且这个工作流程不仅仅适用于弯曲的手指，还可以应用于骨骼缺失或较小关节的患者。据德国风湿病学会称，德国约有 2% 的成年人患有炎症性风湿病，这些疾病可以通过 Fraunhofer 过程进行治疗。

FingerKIt 项目中的技术开发现已达到成熟点，产品和流程已为市场做好准备。该项目目前正在努力获得必要的批准，并且还在寻求医疗工程领域的企业合作伙伴关系，以帮助将 FingerKIt 推向市场。