骨壊死を防ぐための 3D プリントされた内部冷却式整形外科用ドリル

この投稿は Little Soft Bear によって 2017-9-25 16:34 に最後に編集されました。

整形外科手術では、骨ドリルを使用して事前に穴を開けてから固定用のネジを挿入したり、関節固定用の微小骨折を作成するために穴を開けたりすることがよく必要になります。掘削プロセス中にドリルビットから発生する熱は、周囲の骨に大きな影響を与え、熱誘発性骨壊死を引き起こす可能性もあります。熱誘発性骨壊死を回避するために、最新の製造技術には、手術中の熱を減らす内部冷却システムを備えた整形外科用ドリルビットの 3D プリントが含まれています。次に、医療手術のリスク軽減に対する 3D プリント技術の貢献を評価しましょう。
整形外科用ドリルの動作環境は非常に特殊であり、製造業で使用されるエンジニアリングドリルや、建設業界などの従来の非生物工学で使用されるドリルの要件とは大きく異なります。 3D Science Valley の市場調査によると、骨は複雑な異方性、多孔質、粘弾性の複合材料であり、材料特性と形状も不均一です。皮質骨は熱伝導率が比較的低く、掘削プロセス中に熱エネルギーの約 60% が骨片を通じて放散されると推定されます。金属の切削および穴あけ加工では、チップの破壊によって約 80% の熱が除去されます。

温度が50℃を超えると骨壊死（死）につながる可能性があります。温度上昇の大きさは、ドリルの形状、直径、回転速度、送り速度、軸方向の推力、ドリルの初期温度、内部または外部の冷却など、多くの要因によって決まります。低温を維持するために、通常、掘削プロセスは操作中に継続的に中断され、温度を可能な限り低く保ちます。

冷却ドリリングは、手術プロセスを中断することなく、より優れたソリューションですが、内部の冷却システムが閉ループであることを確認する必要があります。市場調査によると、冷却方法により冷却液が傷口に入る可能性があるため、開放型冷却システムの使用は避ける必要があります。

内部冷却チャネルの作成

熱による骨壊死を引き起こすことなく骨を切断できる外科用ドリルを開発するために、ドイツのライプツィヒ大学ハノーバー校の生産工学および工作機械研究所 (IFW) は、精密部品、アセンブリ、金型、射出成形部品の製造に特化したサービス会社である Toolcraft に協力を依頼しました。

Toolcraft は、選択的レーザー溶融と呼ばれる 3D 印刷方法を使用して整形外科用ドリルビットに内部冷却チャネルを作成し、冷却剤が螺旋線に沿ってドリルビットに流れ込み、傷口に入ることなくツールホルダーに戻ることができるようにすることを提案しています。ドリルビットが折れる可能性は低いですが、可能性を否定することはできません。安全上の理由から、ドリルビットが破損した場合に被害が発生しないように、冷却媒体として水が選択されました。

Toolcraft は、冷却剤の流入および流出機能を備えた非回転式プレスピンドルアタッチメントを開発しました。接続された冷却剤タンクとポンプにより、冷却剤が継続的に供給されます。
Toolcraft は、直径 6 mm の従来の整形外科用ドリルをモデル化しました。手術で使用される整形外科用ツイストドリルにはさまざまな構成とサイズがあり、通常は直径が 0.5 mm から数ミリメートルの範囲です。 Toolcraft によれば、現在選択的レーザー溶融プロセスを使用して製造できるドリルの直径は 5 mm より大きくする必要があるとのことです。

Toolcraft と IFW は、従来のドリルビットの形状を採用しました。これは、医師にとっては普通のドリルビットと同じように見えるため、医師がこの新しいドリルツールに適応しやすくなります。ドリル内部には直径 1.2 mm の円形冷却チャネルが設計されており、刃先から熱を逃がすとともに、戻りパイプによって冷却剤が連続的に流れるようになっています。

プロジェクトの開始時に、エンジニアは冷却剤の体積流量、温度変化、熱容量に基づいて冷却能力を計算します。その後、プロジェクトチームは、ドリルビットを閉じて動作中の安定性を確保する冷却回路を開発しました。エンジニアたちは、選択的レーザー溶融と呼ばれるプロセスによる付加製造の研究も実施し、ドリルの設計が生産に適していることを確認しました。

ドリルビットは、生体適合性材料 1.4404、耐腐食性オーステナイト系ステンレス鋼 (ASTM 316/316L) で作られています。 Antarctic Bear は、ドリルビットの外部および内部の冷却チャネルの形状が SolidWorks モデリングソフトウェアを使用して設計され、Siemens NX ソフトウェアを使用してシミュレーションされたことを知りました。内部冷却チャネルを備えたドリルは、Concept Laser の M2 積層造形装置を使用して機械加工され、その後、ドリルの表面処理のための研削プロセスが行われました。良好なチップクリアランスを実現するには、完璧なドリル表面品質と鋭い切れ刃が求められるため、主切れ刃と副切れ刃はセンターレスグラインダーで研磨されます。

テストでは最大70%の温度低下が示された
IFW は、直径 6 mm のドリルビットと冷却剤として水を使用して、さまざまな掘削テストを実施し、人工骨と牛骨での掘削作業を測定しました。テスト中、エンジニアは供給速度を高くしたり低くしたりしながら段階的に温度変化を測定し、冷却システムのオンとオフを切り替えるという 2 つの異なるシナリオで温度変化をテストしようとしました。広範囲にわたるテストの経験から、送り速度を上げるとドリルビットの最高温度を下げることができることがわかっています。

0.35 mm/回転の高送り速度と 2 m/分の切削速度で、Nylacast Polyactal (POM-C) エンジニアリングプラスチック材料製の人工骨を加工するテストでは、新しいドリルによって温度が大幅に低下することが示されました。クーラント機能をオフにすると、送り速度が速いためドリルは臨界温度 50°C (122°F) を超えませんでしたが、内部クーラント機能を使用すると、温度は最高レベルの 35°C (95°F) 以下に維持されました。

送り速度を 0.07mm/rev に下げると、内部クーラントをオンにしたドリルのテスト結果と同じになりました。 3D Science Valley は、内部冷却機能がオフになっているドリルの場合、温度が 100 秒未満で 50°C (122°F) 以上に上昇することを発見しました。

テストの結果、内部冷却システムが温度上昇を補正する能力を備えているため、低送り速度での加工でも温度が上昇せず、過熱のリスクがなくなり、予期せぬ骨壊死を回避できることが実証されています。これは、3D プリントによる内部冷却機能付きドリルビットの製造技術が、のこぎりの製造を含むさまざまな他の用途にも拡張できることを意味します。

出典: 3Dサイエンスバレー

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