增材制造技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用綜述

李旭鵬 羅翠

摘要：增材制造技術(shù)起源于上世紀(jì)九十年代，近年來隨著技術(shù)水平的不斷提高在醫(yī)療領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用。增值制造技術(shù)能夠根據(jù)患者的病情和身體情況進(jìn)行個性化定制，這一特點(diǎn)也使該技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域有著無可比擬的優(yōu)勢。本文對增材制造技術(shù)的特點(diǎn)和功能進(jìn)行了簡單介紹，并對其在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了探索。

關(guān)鍵詞：增材制造;醫(yī)療;應(yīng)用

引言

增值制造技術(shù)從出現(xiàn)以來，在制造業(yè)發(fā)揮了重大作用，英國、美國、德國等發(fā)達(dá)國家為了鼓勵和發(fā)展增材制造技術(shù)發(fā)展都出臺了一系列的優(yōu)惠和保障政策。為了迎接工業(yè)4.0時代的到來，助力“中國制造2025”的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，我國也愈發(fā)重視增材制造技術(shù)在各個領(lǐng)域的應(yīng)用和推廣，近年來隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的進(jìn)步，增材制造的應(yīng)用領(lǐng)域也在逐步擴(kuò)展。由于其個性化定制的特點(diǎn)，也實(shí)現(xiàn)了針對不同患者個體差異的多種治療方案的設(shè)計(jì)，對提高患者的治療和恢復(fù)效果具有重要意義，因此增材制造技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用也受到了醫(yī)學(xué)研究者的關(guān)注和認(rèn)可。

1 增材制造技術(shù)概述

增材制造技術(shù)的發(fā)展依賴于大數(shù)據(jù)、信息技術(shù)、精密電子和材料成型等多個學(xué)科的共同作用，以三維數(shù)據(jù)模型為基礎(chǔ)，以STL的格式將信息數(shù)據(jù)導(dǎo)入到相應(yīng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之中，然后將其分成二維的平面數(shù)據(jù)，再通過打印機(jī)逐層打印的方式制造出三維的實(shí)體造型，將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)變成實(shí)物，增材制造技術(shù)生產(chǎn)出來的產(chǎn)品具有成本低、精度高、速度快等特點(diǎn)，所以才能滿足患者的差異性需求。

與傳統(tǒng)的工藝技術(shù)相比，增材制造技術(shù)能夠最大程度地使制造業(yè)的先進(jìn)技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域得到應(yīng)用，首先，利用增材制造技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)時，往往都是以一個小時為周期，簡化了傳統(tǒng)工藝技術(shù)的復(fù)雜的工序，節(jié)省了大量的生產(chǎn)時間，提高了生產(chǎn)的效率，使人們獲得成品的時間大大縮短。其次，用戶可以針對自身的實(shí)際情況下選擇不同的增材制造設(shè)備，其最高精度能夠達(dá)到0.1毫米，可以制造出滿足各種質(zhì)量要求的產(chǎn)品。再者，通過3D打印的智能化信息系統(tǒng)，生產(chǎn)產(chǎn)品所需的材料用量能夠得到精準(zhǔn)把控，增材制造的特性使產(chǎn)品在制造過程中幾乎不會產(chǎn)生資源浪費(fèi)，進(jìn)一步節(jié)約了生產(chǎn)成本。此外，使用增材制造設(shè)備能夠使產(chǎn)品按照提前設(shè)置好的程序自發(fā)地進(jìn)行生產(chǎn)，相關(guān)工作人員也可以通過控制平臺對生產(chǎn)過程進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。

2 增材制造技術(shù)的具體應(yīng)用

2.1 輔助治療

當(dāng)前階段，增材制造技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的輔助作用有兩個方面，一方面是利用增材制造技術(shù)能夠根據(jù)患者病灶部位的醫(yī)學(xué)影像，進(jìn)行一比一的三維立體模型構(gòu)建并打印出來，幫助外科醫(yī)生更清晰地了解患者的病情，制定出最符合患者實(shí)際情況的治療計(jì)劃，同時還可以利用模型進(jìn)行手術(shù)模擬，對治療計(jì)劃進(jìn)行改善，盡可能地提高手術(shù)成功的概率。另一方面，根據(jù)患者的掃描圖像，利用增材制造技術(shù)可以定制最符合患者生理特點(diǎn)和身體結(jié)構(gòu)的醫(yī)療輔助器械，既縮短了設(shè)備的生產(chǎn)周期，同時也使醫(yī)療器械和患者之間的適配度更高，使治療過程更加精準(zhǔn)、高效。

比如，在對多名非小細(xì)胞肺癌患者進(jìn)行治療時，可以利用增材制造技術(shù)對患者的螺旋CT進(jìn)行三維重構(gòu)，并利用3D打印機(jī)打印出與患者的患側(cè)肺血管和配病灶等比例的實(shí)體模型，然后對所有該病患者的術(shù)中情況與重建的影響進(jìn)行對比，觀察血管的符合率。此外，國外的一個醫(yī)療器械公司還利用增材制造技術(shù)，打印出了含有蛋白多糖和豐富膠原蛋白的“仿真皮膚”，能夠直接與人的皮膚接觸并滲透到皮膚組織之中，對于治療皮膚損傷的效果很明顯。

2.2 植入物打印

在骨科和口腔領(lǐng)域的治療過程中，經(jīng)常會有損傷骨組織和牙齒缺損的患者，因?yàn)槊總€患者的損傷部位和損傷程度都很大的差異，所以在植入物也有所不同。增材制造技術(shù)能夠根據(jù)患者損傷部位的三維信息和患者的實(shí)際情況，選擇并制作合適的植入物，是治療的效率和手術(shù)的成功率都得到大幅度提高。

比如在對脊索瘤患者進(jìn)行治療時，就可以給患者植入利用增材制造技術(shù)制造的植入物，與傳統(tǒng)植入物相比，這種多階段的植入物除了滿足患者治療的基本需求之外，個性化定制的特點(diǎn)還加強(qiáng)了連接部分的穩(wěn)定性，而且由于增材制造技術(shù)產(chǎn)品有著很高的精度，所以制造出的植入物的結(jié)構(gòu)基本上和骨小梁的結(jié)構(gòu)一致，更好地實(shí)現(xiàn)骨整合。

2.3 生物打印

增材制造技術(shù)能夠個性化定制的特性還為人造器官的人造組織的創(chuàng)造提供了保障，使特定類型細(xì)胞能夠依照設(shè)計(jì)好的方式進(jìn)行分離和擴(kuò)張，形成成熟的人體組織，比如人造血管、人造肝臟等。現(xiàn)在已經(jīng)有醫(yī)療團(tuán)隊(duì)將增材制造技術(shù)和多光子聚合技術(shù)進(jìn)行整合，制造出了能夠在其表面生成出人體細(xì)胞的人造血管。此外來自約翰霍普金斯等多個世界知名學(xué)府的多學(xué)科聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)利用增材制造技術(shù)生產(chǎn)出了定制化的神經(jīng)導(dǎo)引管，能夠引起運(yùn)動并感覺到神經(jīng)的生長，對運(yùn)動功能和受損神經(jīng)的修復(fù)有重要的作用。

2.4 醫(yī)療器械的設(shè)計(jì)與制造

與傳統(tǒng)的醫(yī)療器械制造方式相比，利用增材制造技術(shù)能夠大幅度地減少制造周期，降低生產(chǎn)成本，同時也能減少產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期和開發(fā)成本，特別是在制造小批量的定制化的醫(yī)療機(jī)械設(shè)備時，技能降低成本又能實(shí)現(xiàn)在傳統(tǒng)的加工方式下很難制造的結(jié)構(gòu)。

比如在對患者進(jìn)行舌癌的術(shù)后放療時，可以利用增材制造技術(shù)制造出適合患者的定制支架，減少患者口腔黏膜炎發(fā)生的概率，

2.5 醫(yī)療設(shè)備維修

工作人員在對醫(yī)療設(shè)備進(jìn)行維修時，經(jīng)常會出現(xiàn)零配件停產(chǎn)或者短缺的問題，又或者市場上配件的價格過高，這些問題經(jīng)常導(dǎo)致維修過程不能順利進(jìn)行。利用增材制造技術(shù)能夠在短時間內(nèi)將損壞的部件進(jìn)行三維的復(fù)制和構(gòu)建，縮短設(shè)備維修的周期，減少設(shè)備損壞或者停用給醫(yī)院帶來的經(jīng)濟(jì)損失。

結(jié)束語

綜上所述，增材制造技術(shù)在我國醫(yī)療領(lǐng)域的許多方面都得到了廣泛應(yīng)用，在骨科和口腔以及精神外科領(lǐng)域更是積累了多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。但是相比于英美等發(fā)達(dá)國家，增材制造技術(shù)在我國醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用還處在初級階段，核心技術(shù)、硬件設(shè)備等都是從國外引進(jìn)的，國內(nèi)在這方面的技術(shù)還沒有完全成熟。所以要想使增材制造技術(shù)在我國醫(yī)療領(lǐng)域得到最大程度地開發(fā)和利用，還需要出臺一系列的優(yōu)惠政策來吸引相關(guān)人才投入到相關(guān)技術(shù)的研究上，另外也需要對醫(yī)療從業(yè)者進(jìn)行宣傳和培訓(xùn)教育，使他們能夠在治療過程中正確使用增材制造技術(shù)產(chǎn)品。

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作者簡介：

李旭鵬（出生年月：1986年08月），性別：男，民族：漢，籍貫：遼寧省鞍山市，學(xué)歷：碩士研究生，職稱：中級工程師，研究方向：增材制造，自動化，機(jī)械設(shè)計(jì)。

羅翠（出生年.月1987年5月），性別：女，民族：漢，籍貫遼寧省鞍山市，學(xué)歷：本科，職稱：主治醫(yī)師，研究方向：老年病，康復(fù)醫(yī)療，內(nèi)科學(xué)。