3D打印在醫(yī)療器械領(lǐng)域的應(yīng)用分析

張芹芹

摘 要：3D打印技術(shù)的誕生，實(shí)現(xiàn)了制造流程的創(chuàng)新，打破了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈的運(yùn)行模式，推進(jìn)全球制造業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)生新的變革。隨著信息技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、生物技術(shù)等的迅猛發(fā)展，以及多學(xué)科之間的密切配合，3D打印技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用逐漸受到整個(gè)社會(huì)的高度重視。為推進(jìn)醫(yī)療行業(yè)的發(fā)展進(jìn)步，加大力度探討3D打印在該領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用，具有一定現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：3D打印；醫(yī)療器械；應(yīng)用

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，一種新型制造技術(shù)-3D打印技術(shù)得以形成，并且以其自身多樣化的成型技術(shù)，在航空航天、能源油氣、醫(yī)療生物以及高端珠寶等領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮著重要的作用。一下就3D打印在醫(yī)療器械領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用情況開(kāi)展具體分析。

1 3D打印及生物打印技術(shù)簡(jiǎn)介

所謂3D打印，即人們常提到的“快速成型技術(shù)”，該項(xiàng)技術(shù)是基于材料堆積法之上所形成的一種創(chuàng)新型制造技術(shù)，與傳統(tǒng)去除材料加工技術(shù)相比，更具獨(dú)特性。就其原理來(lái)看，主要是以三維CAD數(shù)據(jù)為支持，在快速成型機(jī)的作用下將材料堆積成實(shí)體，從而實(shí)現(xiàn)快速成型。在不同的系統(tǒng)條件下，3D打印原理一致，但所應(yīng)用的成型材料、成型原理以及系統(tǒng)狀態(tài)存在一定差異，可以將其看作是立體化的打印機(jī)。

在3D打印中，生物3D打印是比較先進(jìn)的技術(shù)形式，廣泛應(yīng)用于細(xì)胞打印、組織器官打印、手術(shù)器械打印等，其中，手術(shù)器械打印相對(duì)成熟，而活體組織打印的難度較大，需要保證結(jié)構(gòu)的生物活性。但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，基于高分辨率納米打印技術(shù)的基礎(chǔ)上，DNA打印得以開(kāi)發(fā)，若能夠?qū)崿F(xiàn)DNA芯片的大批次生產(chǎn)，勢(shì)必能夠?yàn)榘┌Y、遺傳性疾病以及肝炎等的診斷和預(yù)防提供可靠的依據(jù)，為醫(yī)學(xué)的發(fā)展做出不可磨滅的貢獻(xiàn)。

2 3D打印在醫(yī)療器械領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

3D打印以其自身精準(zhǔn)度高、個(gè)性化和復(fù)雜成型等特點(diǎn)，受到醫(yī)療器械領(lǐng)域的高度關(guān)注，甚至與醫(yī)療器械一次性、量身定做等要求相符合，因而3D打印的出現(xiàn)，在醫(yī)療器械領(lǐng)域內(nèi)引發(fā)了一場(chǎng)革命，個(gè)性化手術(shù)工具則是3D打印在醫(yī)療器械領(lǐng)域得以應(yīng)用的最鮮明特征。

個(gè)性化手術(shù)工具以手術(shù)導(dǎo)板為典型代表，常見(jiàn)的關(guān)節(jié)類(lèi)導(dǎo)板、脊柱導(dǎo)板等，與此同時(shí)，導(dǎo)向定位導(dǎo)板的之多，能夠促進(jìn)放射劑量分布不均等問(wèn)題，對(duì)于醫(yī)學(xué)上腫瘤殘留和疾病復(fù)發(fā)等問(wèn)題的克服具有重要意義。基于的3D打印的個(gè)性化手術(shù)工具能夠在一定程度上簡(jiǎn)化手術(shù)操作，實(shí)現(xiàn)精確化控制，在提高手術(shù)效率以及減少患者感染與并發(fā)癥幾率方面具有重要優(yōu)勢(shì)，受到醫(yī)療領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。

就個(gè)性化的植入物來(lái)看，3D打印個(gè)性化的骨科植入物假體是目前3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中最成功技術(shù)之一。在骨外科中，骨病損狀態(tài)是形式多樣、千差萬(wàn)別的，因此用于骨缺損修復(fù)的植入物也只能是個(gè)體化的，必須“量體裁衣，度身定做”。3D打印除了用于骨科，在整復(fù)外科、口腔科、眼科也能發(fā)揮出獨(dú)特的作用。2011年比利時(shí)和荷蘭的科學(xué)家成功為一個(gè)83歲的女性植入了3D打印的下頜骨，該人工下頜骨僅比生理下頜骨重30克，手術(shù)歷時(shí)4小時(shí)，比傳統(tǒng)的手術(shù)節(jié)約近16小時(shí)，且患者功能恢復(fù)良好。Hasselt大學(xué)預(yù)計(jì)，在未來(lái)，為患者量身定制的各種植入物將被廣泛使用。在不遠(yuǎn)的未來(lái)，定制化植入物將成為常態(tài)。

就可視化手術(shù)規(guī)劃來(lái)看，良好的術(shù)前策劃是手術(shù)成功的關(guān)鍵，特別對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)較大的手術(shù)，或新開(kāi)展的手術(shù)，抑或診斷尚不十分清晰的手術(shù)，術(shù)前策劃尤為重要。3D打印為術(shù)前策劃提供了比CT、核磁等更為直觀的手段，方便醫(yī)師進(jìn)行術(shù)前手術(shù)模擬和手術(shù)策劃。可視化手術(shù)規(guī)劃不僅方便術(shù)前會(huì)診，利于選擇最佳手術(shù)方案，而且還為年輕醫(yī)生的培訓(xùn)提供了直觀有效的手段。

就活體人造器官打印來(lái)看，3D打印可應(yīng)用到的領(lǐng)域非常廣闊，而活體人造器官的3D打印已經(jīng)超出了大多數(shù)人的想象。美國(guó)康奈爾大學(xué)3D打印出一種人造耳，可以植入牛的身體，與牛的細(xì)胞結(jié)合在一起；英國(guó)普林斯頓大學(xué)科學(xué)家已經(jīng)成功制造出能夠接收無(wú)線電波的仿生耳，未來(lái)的仿生耳有望能夠聽(tīng)到真正的聲音；英國(guó)愛(ài)丁堡赫瑞-瓦特大學(xué)專(zhuān)家研發(fā)出的3D打印技術(shù)，可以用胚胎干細(xì)胞，并成功制造出首個(gè)3D打印微型人體肝臟。具有生命特征的活性人造器官的3D打印的發(fā)展有賴(lài)于生物材料、干細(xì)胞、組織培養(yǎng)等多學(xué)科的科技突破，目前的成果表明在不遠(yuǎn)的將來(lái)急需器官移植的的病人有可能輕易獲得肝臟、心臟和其他器官；人類(lèi)這一期待已久的技術(shù)突破已經(jīng)不是遙不可及了。

3 3D打印應(yīng)用于醫(yī)療器械領(lǐng)域所面臨的挑戰(zhàn)

3D打印自身具有準(zhǔn)確、高效的優(yōu)勢(shì)，以其獨(dú)特的制造能力滿(mǎn)足了醫(yī)療器械領(lǐng)域的個(gè)性化需求，為人工組織器官制造以及人工假體等方面的制造創(chuàng)造了有利條件。但就3D打印在醫(yī)療器械領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，仍面臨著諸多挑戰(zhàn)。

第一，材料研發(fā)難度較大。3D打印的原材料具有一定特殊性，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)液化、絲化和粉末化，還應(yīng)當(dāng)能夠?qū)崿F(xiàn)重新結(jié)合，以滿(mǎn)足3D打印的諸多要求，保證醫(yī)療器械制造的精準(zhǔn)度與有效性。以金屬粉末為例，粒度分布、松裝密度、流動(dòng)性等都是影響3D打印效果的重要因素。而對(duì)于活體器官來(lái)說(shuō)，所選用的材料應(yīng)當(dāng)有助于維持細(xì)胞活性與功能，以滿(mǎn)足醫(yī)學(xué)需求，降低各類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生。由此可知，3D打印在醫(yī)療器械領(lǐng)域的應(yīng)用面臨著嚴(yán)峻形勢(shì)，尤其是材料研發(fā)難度大，3D打印開(kāi)發(fā)具有一定特殊性。

第二，應(yīng)用成本較高。3D打印設(shè)備本身造價(jià)相對(duì)昂貴，日常維護(hù)費(fèi)用偏高；3D打印機(jī)的研制還需要圍繞材料的特殊要求進(jìn)行；目前3D打印材料大多由快速成型設(shè)備廠家直接提供，尚未實(shí)現(xiàn)第三方供應(yīng)材料的模式，從而，再一次推高了原材料的價(jià)格，給3D打印的進(jìn)一步普及應(yīng)用帶來(lái)了困難。

第三，精度、效率方面還不盡人意。3D打印的精度受到材料、工藝、設(shè)備能力等多方面限制，難以實(shí)現(xiàn)高精度零部件直接面向產(chǎn)品的制造，仍需要后期其它加工模式的補(bǔ)充與配合；打印精度與速度之間存在嚴(yán)重沖突。因此，如何在保證產(chǎn)品的表面質(zhì)量、力學(xué)和物理性能的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)快速制造是設(shè)備開(kāi)發(fā)商應(yīng)解決的問(wèn)題。

第四，多種不同特性和不同功能材料的復(fù)合打印技術(shù)有待突破，特別是在醫(yī)療3D打印方面這一需求是顯而易見(jiàn)的，例如金屬與陶瓷的復(fù)合打印、金屬或陶瓷與高分子材料的復(fù)合打印，軟硬組織的復(fù)合打印，不同功能的活性組織在細(xì)胞級(jí)別的打印組裝等等，相信這些近似科學(xué)幻想的追求在不遠(yuǎn)的將來(lái)都將有實(shí)現(xiàn)的可能。

4 結(jié)束語(yǔ)

總而言之，信息技術(shù)、數(shù)控技術(shù)以及材料技術(shù)等的發(fā)展進(jìn)步，為制造領(lǐng)域的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，3D打印在醫(yī)療器械領(lǐng)域的應(yīng)用也更為廣泛，尤其是該項(xiàng)技術(shù)在應(yīng)用效率、成本控制和精準(zhǔn)度等方面的不斷完善，3D打印勢(shì)必能夠在醫(yī)療器械領(lǐng)域內(nèi)開(kāi)創(chuàng)新的局面。

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