3D印刷医疗钻头在手术期间保持骨骼凉爽

除了某些例外情况外，医学界倾向于对已开发用于钻其他材料的商用仪器进行改造。钻头由柄和凹槽组成，柄用于将工件连接到手术手件的卡盘上，凹槽用于将骨屑和碎片(屑)从加工面和切削刃处引入。

然而，手术钻头的操作环境是独特的，与制造业中使用的工程钻头或传统的非生物工程(如建筑业)的操作环境非常不同。骨是一种复杂的各向异性、多孔和粘弹性复合材料，在材料性质和几何形状上都是非均匀的。皮质骨是一种较差的热导体，这是由于手术时骨的剪切变形、骨屑与前刀面的摩擦、刃口与下垫骨的摩擦造成的钻孔。据估计，在钻孔过程中产生的大约60%的热能是由骨屑耗散的，这大大低于预计的金属钻孔过程中由骨屑耗散的80%。

结果，温度升高至50℃，这可能导致骨骼的坏死（死亡），其具有骨质坏死的现象。该温度升高的幅度由多种因素确定，包括钻孔几何和直径，转速，进料速率，轴向推力，初始钻头温度和内部或外部冷却。为了保持温度低，通常迭代地进行手术;即，钻孔过程重复中断，以保持温度尽可能低。

冷却钻头将是更好的选择，闭环和开放式内部冷却系统是可行的，但主要限于正畸和牙科应用。由于冷却工具可能导致液体进入伤口，通常避免使用带有冷却系统的传统工具。

创建内部冷却通道

努力开发能够切割骨骼的手术钻，而不会导致热诱导的骨折坏死，生产工程和机床研究所（IFW）在莱布尼茨Universität汉诺威，德国转向工具，精密零件，组件，模具和注塑部件的制造商。

Toolcraft建议通过金属激光熔化创建内部冷却通道，让冷却液在工具内部流动——沿着螺旋线并流回刀柄——而不进入伤口。虽然破损的可能性很小，但据报道，钻头是最常破损的手术器械，这种可能性也不能排除。该公司表示，使用水作为冷却剂，确保在工具损坏的情况下不会造成伤害。

工具纤维公司还开发了一种非调节的预轴连接，具有用于冷却剂的流入和流出功能。公司解释说，通过附着的冷却剂罐和泵确保了连续的冷却剂供应。

内部冷却的原型在常规的骨钻上进行建模，其直径为6mm。手术捻钻头可在各种配置和尺寸上提供，直径通常为0.5毫米至几毫米。根据工具，目前可以使用5毫米的直径来生产激光熔化技术。

Toolcraft和IFW决定保留钻头的几何形状，以便用户更容易适应新工具。内部直径1.2 mm的循环冷却通道将热能从切割边缘带走，而回流管保证冷却液的连续流动。添加了连接冷却回路和钻头的水平钻孔，用于冷却剂的供应和移除。为了连接管汇，有一个用于卡簧的凹槽。

在该项目的开始时，工程师在冷却剂的体积流速，温度和热容量方面计算了冷却能力。然后，该项目组开发了一种用于将闭合冷却电路带入工具基板的方法，同时保持工具稳定性并确保该工具适合于执行所需的过程。

钻头采用生物兼容材料1.4404，一种耐腐蚀的奥氏体不锈钢(ASTM 316/ 316L)。钻头的形状和内部冷却通道由Toolcraft公司使用SolidWorks设计，并由德国纽伦堡的Schmidt WFT公司使用西门子NX软件进行仿真。

使用Concept Laser的M2型多激光加工机，对包括内部冷却通道在内的钻头进行附加制造，然后进行磨削。为了创造良好的切屑间隙、所需的表面质量以及锋利的切削刃，主切削刃和二次切削刃在无心外圆磨床上进行研磨。

测试显示温度下降了70%

IFW使用直径为6毫米的钻头和水作为冷却剂，进行了一系列不同的钻孔试验，并测量了人工骨和牛骨的工艺温度。在此过程中，他们测量了在较高和较低进料速率下的参考温度，同时开启和关闭冷却系统。经验表明，增加进给速率会降低钻骨时的最高温度。

以0.35mm / ex（0.014 IPR）的高进料速率和2米/分钟的切削速度。（78.7 IPM）在由乙基伞聚酰基（POM-C）制成的人造骨上，经验化塑料，测试表明，新钻头显着降低了所产生的温度。在没有冷却的情况下钻头由于高进给速率而没有超过50°C（122°F）的临界温度，而内部冷却的使用使温度保持在最大35℃（95°F）（95°F），冷却剂温度20℃（68°F）和最大25℃（77°F），冷却剂温度为1℃（33.8°F）（参见图3）。

当进料速率降至0.07 mm / Rev（0.0028 IPR）时，测试显示了内部冷却钻头的相同结果，但是在常规的不到100秒内导致温度超过50°C（122°F）的温度钻头。（见图4.）

由于内部冷却系统能够补偿温度的增加，低进料率不再导致较高的温度，并且在损坏损坏风险的情况下将骨骼的过高的过程温度过高。这意味着该技术也可以在各种各样的其他领域中有益，例如锯的制造，工具术说。