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2025-07
3D打印睾丸假体：利用晶格填充结构提高力学性能
关于患者反馈的睾丸假体过硬，大小、形状不对或位置过高等问题，涉及到目前用于软假体的硅胶材料和制造方法的局限性。解决这些问题在于采用新的定制方法，如3D扫描、建模和打印进行植入设计，让假体适应个人需求。除此之外，提高人工睾丸硬度或”感觉”的一个重大挑战是缺乏既有适当性能又被医学认可的生物材料。
目前，3D打印是唯一可以制备精确可控的晶格填充结构的方法。利用晶格填充结构来创建仿生性能的研究已广泛应用于金属，主要集中在模拟骨骼和硬组织特性。通过使用这种方法制造软假体，我们可以解决患者所描述的常见问题，同时避免使用硅凝胶或液体填充物，从而开发出更安全、更自然的产品。为此我们想要创建一个3D打印的睾丸假体，使用晶格填充结构来模拟人类睾丸的自然感觉、大小、形状和硬度。
在解剖精确的睾丸三维模型中，使用重复的立方体单元格，设计了相对密度从0.1到0.9的多孔睾丸假体。这些模型采用多喷头3D打印工艺和弹性体材料制作，并与目前市面上使用的测试假体进行肖氏硬度的比较。
睾丸假体的设计：
图1：(A)材料选择，(B)立方晶格单元体的选择和相关设计参数的确定（长度(L)和半径(R)），(C)显示如何调整立方单元体的半径和长度以实现相对密度的范围（选择半径或长度太小可能无法制造，而选择值过大则缩小了可实现的相对密度范围）(D)用立方单位细胞填充睾丸3D模型，(E)创建具有均匀横截面积(25mm²)的压缩试样，(F)使用多喷头打印工艺3D打印睾丸和压缩试样。
睾丸假体的制作及后处理：
图2：多喷头3D打印睾丸假体及后处理
3D打印睾丸假体和立方晶格样品：
图3：(A) 3D打印睾丸假体和相对密度0.2-1.0的立方晶格压缩试样(B)医用假体Kiwee, Torosa（大中小三种尺寸）, Promedon，旁边是3D打印的睾丸假体，(C)立方体晶格样品的压缩变形测试。
压缩测试结果：
图4：(A)立方体晶格试件压缩试验结果显示，刚度随相对密度的增加而增加。(B)立方晶格试件解析与实验相对模量对比。(C)相对密度0.3-0.4与人睾丸硬度值相匹配。(D)每种相对密度在3个试样尺寸下模量值的可重复性。
硬度测试结果：
图5：3D打印睾丸假体和医用假体的邵氏硬度OO结果。值得注意的是，有机硅涂层硅胶填充假体的Kiwee假体，其硬度结果合适(在相对密度0.3 – 0.4范围内)；然而，与天然组织相比，Torosa和Promedon假体相对较硬。请注意，Torosa中小型假体的硬度结果与大型假体相同，因为硬度值由材料主决定，而非尺寸的微小变化。
【总结】
在本项研究中，我们演示了如何使用3D打印来创建一个超材料晶格结构，以实现真实感觉的睾丸假体原型，可以解决患者关于目前假体尺寸及形状不自然、不舒适的问题。同样的技术可以用于各种弹性体材料，并模拟各种天然组织的可控特性。这些进展将有助于定制形状、大小和力学性能与人体组织匹配的假体，在未来实现个性化的患者植入物和假体。
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