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微納3D打印:助力突破微創(chuàng)手術(shù)邊界

閱讀:138      發(fā)布時(shí)間:2025-4-2
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在精準(zhǔn)醫(yī)療與數(shù)字技術(shù)深度融合的當(dāng)下,微創(chuàng)手術(shù)器械的微型化與功能集成化正以速突破臨床診療的物理極限。根據(jù)微創(chuàng)外科行業(yè)數(shù)據(jù)顯示,全球微創(chuàng)手術(shù)器械市場(chǎng)規(guī)模以8%的年復(fù)合增長(zhǎng)率高速擴(kuò)張,其背后是腫瘤介入、神經(jīng)外科等高難度術(shù)式對(duì)器械性能的嚴(yán)苛需求驅(qū)動(dòng)——傳統(tǒng)設(shè)備受限于操作精度與單一功能設(shè)計(jì),難以滿足深部病灶的精準(zhǔn)診療需求。

如今,器械的微型化與功能集成化正成為突破復(fù)雜病灶診療瓶頸的核心驅(qū)動(dòng)力。辛辛那提大學(xué)跨學(xué)科研究團(tuán)隊(duì)最新發(fā)布的系留式液壓微電機(jī)驅(qū)動(dòng)切割系統(tǒng),以2毫米外徑的微型化設(shè)計(jì)突破傳統(tǒng)器械物理極限,將腫瘤穿透、靶向藥物遞送與活體組織精準(zhǔn)采樣三大功能集于一體,為實(shí)體腫瘤診療提供了全新解決方案。這一突破性裝置的核心組件——微型液壓微電機(jī),由摩方精密的面投影微立體光刻(PμSL)3D打印技術(shù)精密制造,標(biāo)志著微創(chuàng)器械在微型化、功能集成化領(lǐng)域邁出里程碑式一步。

相關(guān)研究以“Hydraulic micromotor powered dissector for minimally invasive therapy"為題發(fā)表在國(guó)際期刊《Discover Mechanical Engineering》




01 技術(shù)突破:2毫米內(nèi)的精密革命

該裝置通過導(dǎo)管導(dǎo)航技術(shù)實(shí)現(xiàn)超細(xì)器械的深部組織介入,其核心液壓微電機(jī)采用脈沖渦輪原理,由摩方精密nanoArch® S140 3D打印的頂蓋、基座與轉(zhuǎn)子組件構(gòu)成精密動(dòng)力系統(tǒng)。為滿足生物體內(nèi)嚴(yán)苛的力學(xué)與安全要求,該研究團(tuán)隊(duì)選用摩方自研BIO生物相容性樹脂,以光學(xué)精度10μm打印確保組件在微米尺度上的結(jié)構(gòu)完整性。


圖1. 各種刀具幾何形狀的CAD模型和組裝后形成的環(huán)形流體通道(藍(lán)色區(qū)域)。




圖2. 3D打印的微電機(jī)原型,外徑2mm,傳動(dòng)軸500µm。



實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,優(yōu)化后的葉片設(shè)計(jì)使微電機(jī)在15毫升/分鐘流量下達(dá)到34,000 RPM轉(zhuǎn)速,流量提升至45毫升/分鐘時(shí)更突破100,000 RPM,較傳統(tǒng)設(shè)計(jì)效率提升超45%。


圖3. 原型微電機(jī)在15ml /min時(shí)輸出轉(zhuǎn)速的箱形圖。



02 精準(zhǔn)操控:從仿真到臨床的驗(yàn)證閉環(huán)

研究團(tuán)隊(duì)通過ANSYS CFX流體仿真精準(zhǔn)預(yù)測(cè)扭矩-轉(zhuǎn)速曲線,結(jié)合摩方制造的組件進(jìn)行實(shí)體驗(yàn)證。在0.6%-2%瓊脂凝膠組織模型中,錐形直刃切割器展現(xiàn)出對(duì)軟組織的優(yōu)異適應(yīng)性,成功在葡萄表皮、藍(lán)莓果肉及雞肝等生物樣本中完成毫米級(jí)精度的切割與藥物遞送。更令人矚目的是,裝置通過反向抽吸活檢技術(shù)實(shí)現(xiàn)微量組織樣本的高效采集,誤差率較傳統(tǒng)器械降低60%,為早期癌癥診斷提供新路徑。


圖4. (a)射流撞擊葉片凸面處的速度分布;(b)顯示葉片后方再循環(huán)的速度矢量。




圖5. 實(shí)驗(yàn)過程中的切口:雞肝;(b)葡萄;(c)藍(lán)莓切口。在所有情況下,都可以使用針尖切割器原型。



03 未來圖景:毫米級(jí)器械開啟超微創(chuàng)新時(shí)代

此次技術(shù)突破不僅驗(yàn)證了液壓驅(qū)動(dòng)微型化器械的可行性,更通過摩方制造的2毫米外徑微電機(jī)原型,為未來開發(fā)更細(xì)介入器械奠定基礎(chǔ)。這種超微型設(shè)備可深入傳統(tǒng)器械難以抵達(dá)的狹窄病灶區(qū)域,或?qū)⑼苿?dòng)微創(chuàng)手術(shù)向“無創(chuàng)化"演進(jìn)。

作為全球微納3D打印技術(shù)創(chuàng)新者,摩方始終以“精密制造重構(gòu)醫(yī)療可能"為使命。從助力英國(guó)Sutrue公司優(yōu)化微創(chuàng)手術(shù)自動(dòng)縫合器,到和北京同仁醫(yī)院共同研發(fā)的青光眼引流器,再到此次與頂尖學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)聯(lián)合創(chuàng)新,摩方憑借跨尺度精密加工能力與生物材料創(chuàng)新體系,持續(xù)賦能醫(yī)療器械的微型化革命。隨著摩方復(fù)合精度光固化3D打印技術(shù)、生物墨水材料體系等新突破的全球推廣,這場(chǎng)由精密制造驅(qū)動(dòng)的微創(chuàng)診療變革,正在為人類健康開辟更精準(zhǔn)、更安全、更高效的未來戰(zhàn)場(chǎng)。

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