基于3D打印技術在醫療輔助產品設計中的應用研究

楊 藝

隨著科學技術理念的持續優化，3D打印技術逐漸從傳統意義上的單一發展形式，轉為向綜合領域前進，此時主要用來醫藥、器官及醫療輔助工具，如當前最常應用的手術夾板、矯形鞋墊等，因此這一技術在醫療輔助產品中的研發前景不可預估。下面對3D打印技術在醫療輔助產品設計中的應用進行研究。

1 3D打印技術原理

3D打印這一理念最初出現在1990年，屬于一種當前應用極多的快速成型技術。而在20世紀80年代末期，美國3DSystem公司研制出第一款3D打印設施后，為相應技術發展提供了有效依據，雖然與傳統打印機存在相同點，但卻整合了大量領域專業技術，構建了機電一體化系統，此時不管是設計軟件，還是打印工藝都在3D打印技術中占據重要地位。

由于3D打印技術中集合了其他領域的專業技術，且會引用橡膠類材料、石膏材料等內容，所以在實踐工作中，主要是依據引用多種類型的計算機軟件，在電腦中構建模型本體，而后將構成的模型劃分為多個橫截面，最終結合快速成型機，對多個橫截面構成一個三維立體模型，此時應用材料是具備真實性的，最終完成打印工作。

2 3D打印技術應用優勢

簡單來說，這一技術的應用魅力在于其不需要進入工廠工作，桌面打印機就可以獲取小物品，且人們能進行突破時間和區域的限制進行操作，不管大物品還是小物體，都能滿足應用需求。對比傳統發展引用的技術理念可知，3D打印技術在應用過程中具有以下幾點優勢：

其一，突破傳統意義上的生產線，并控制了成本支出，有效降低了應用材料的消耗；其二，制作出傳統生產技術無法媲美的外形，促使人們能更快設計出簡單生產制造步驟，以此獲取廉價且高效的應用物品；其三，很多設計會引用金屬和塑料零件，這樣很容易加重物體質量，并增加與功能無關的剩余物，而3D打印技術可以有效解決這一問題。其引用原材料都是為生產所需的產品，最終有助于產品更加精確和輕盈[1]。

3 3D打印技術在醫療輔助產品設計中的應用

3.1 解學模型

現階段，引用到醫學教學培訓活動張的人體標本大都是以捐贈為主，且受傳統文化理念的影響，最終支持和參與的人數非常好。在這一背景下，勢必會增加實踐教學培訓活動的難度，最終無法保障醫學培訓教學質量。通過引用3D打印技術，科學整合醫學數字成像和通信數據，制作出具有極高分辨率的人體樣本，此時不僅能充分展現解剖學包含的知識，還可以解決當前培訓實踐問題。例如，通過在脊柱腫瘤模型中引用3D打印技術，并在臨床教學中落實，結合真實病例進行教學指導，不但可以幫助專業學生構建臨床診斷思維，而且有助于他們更快掌握和應用治療技能，這也是當前醫學院最常引用的現代化教學技術。通過在臨床治療中引用3D打印技術，醫生不僅能在實體模型中提升手術的準確性，還可以對比二維CT圖像進行探究，避免其影響臨床效果。同時，在實體模型的引導下，醫生不但可以更為全面的了解病人情況，并針對手術預演，不斷優化具體治療方案；而且能為醫生和病人的溝通提供有效平臺，促使病人及其家屬可以更直觀地理解病情，進而調動他們積極向上、努力配合治療的信念[2]。

3.2 矯正器械

先天性畸形或后天疾病、安全事故帶來的肢體功能障礙，要想可以正常生活，必須要引用矯形器進行輔助治療，這樣有助于強化他們的身心健康。通過引用3D打印技術，優化設計器具，并快速做成病人所需的矯正產品，不但能降低提貨期，而且有助于提升產品引用質量和病人應用舒適性。以畸形足病人為例，通過引用CT掃描，明確存在缺陷病人的足部數據，而后結合FDM（快速成型加工）工藝設計相應數據模型，促使醫生在控制時間損耗的情況下，有效研究病人畸形足的發育情況，并以此為基礎科學設計和優化矯形器，這樣有助于充分預防最終應用矯正器產品與病人發育產生矛盾[3]。

3.3 骨科植入物

了解當前骨科輔助產品設計情況可知，大部分受損或病變嚴重的骨組織，必須要通過植入材料實施修復。由于生產的植入物型號類別存在差異，且會受應用病人成長情況的影響，難以展現出一致的應用效果，在這一過程中，病人很容易出現植入物與自身匹配度不符的現象，嚴重的還會增加手術失敗的風險。例如，在進行骨缺損個體化修復工作時，通過引用3D打印技術設計如下方案：其一，在CT掃描中，明確病人膝關節骨缺損所在位置的醫學數字成像和通信數據；其二，引用醫學數字成像和通信數據構建三維數字模型；其三，在模型的引導下，設計病人所需的修復骨缺損墊塊；其四，需要引用3D打印技術獲取墊塊的實體。從本質上講，從3D打印技術中獲取的墊塊與實際臨床學需求具備相同性，不僅可以完全匹配，還能加強臨床療效的穩定性[4]。

又如，在3D打印技術中針對新型復合材料，制作個體所需的頸椎見融合器，最終打印精確度可以達到百分之九十五以上，且最終應用的匹配性能非常高。通過將3D打印技術和醫學掃描工作整合到一起，不但可以滿足不同類型病人提出的要求，而且可以提升植入物的修復水平。同時，作為現代化發展和推廣的優質制造技術，3D打印技術與計算機輔助技術、三維表面成像等內容的整合推廣，對解決小耳癥病人具有積極作用，不僅可以為他們提供定制的耳框架，且可以得到病人的認可[5]。

3.4 組織工程支架

從本質上講，組織工程作為一門融合細胞生物學和材料科學的內容，在實踐應用中主要用來解決人體組織功能障礙，因此在現如今社會環境中屬于一個新興學科。3D打印技術的引用，為其提供了充足的技術保障。以創傷性周圍神經損傷易殃及重要神經功能為例，其作為影響病人正常生活的主要臨床問題，當前最常引用的解決方法就是移植自體神經。若是神經結構存在差異，其最終展現出的有限性、再生效果等都將會出現改變，因此這也是現如今人工神經支架探索的主要方向。以3D打印技術為核心，制作出多孔結構納米仿生支架，不僅能優化初級皮層神經元的均衡神經突長度，還能在過大孔隙度的引導下，提升神經細胞的粘附性。由此可知，3D技術在我國醫療人工神經支架中的研究，及神經功能修復工作中占據重要地位[6]。

3.5 制藥業

通過3D打印成形技術制備藥物緩釋裝置，與傳統壓片方法相比具有獨特的優勢。3D打印可以實現多種材料精確成形和局部微細控制，得到具有復雜內部結構的裝置；釋藥特征與所設想的復雜釋藥行為一致。通過3D打印成形技術，將粉末材料粘結成形，可以方便的實現醫學應用中常需要的具有復雜型腔的多孔結構，對于藥物釋放有著重要意義。并通過調整打印液流速、噴頭移動速度、打印液液滴直徑、粉末鋪層厚度、噴涂次數、噴涂角度、噴涂位置等工藝參數，可以改變藥劑中含量、輔料成分和組成，從而改變藥物釋放速率和釋放量，使得具體的生產過程靈活而簡單，通過CAD（計算機輔助設計）為單個患者設計制造理想化的治療方式成為可能。

4 結束語

綜上所述，3D打印技術的發展會受多種因素的影響，因此現階段提出和引用的3D打印技術遠遠達不到預期醫療行業提出的高端需求，這就要求醫療輔助產品研究人員在整合以往工作經驗的基礎上，加大對技術的應用分析，促使其在實踐應用中得到更多關注，并為醫療行業的持續發展奠定基礎保障。