增材制造醫療器械設備領域結構優化

謝宇玲

（福建船政交通職業學院，福建 福州 350008）

1 增材制造

1.1 增材制造的介紹

增材制造是一項技術，它還有另一個別稱叫“3D打印”，英文簡稱AM，它主要是借助計算機來做設計，還有各個工廠都常見的材料加工和成形技術。增材制造以軟件和數控系統來進行制造，數字模型文件是一個基本文件，它通過擠壓的手段、燒結的方法和光固化的形式進行一系列操作層層堆放，用于金屬和非金屬材料、醫用生物材料，并最終用于制造出需要的物品。它主要使用的能源多為光的元素，例如，激光、電子束、紫外光等，還有許多不同的材料，但是，由于成型方式和材料的選擇不同，冷凝熱源也不同，導致凝結熱源種類也不同。主要分成四種不同的情況：第一種為分層實體制造工藝技術（LOM），第二種主要是立體光刻（SLA）的關鍵技術，還有就是選擇性激光燒結（SLS）和熔融沉積成型（FDM）工藝技術。它的優勢主要是可以制造出任意復雜的零件，實現“自由制造”。解決了很多工業上的難題，使它的加工工序的時間也大大減少。

1.2 增材制造的簡單背景

增材制造技術在過去的30年里，它甚至不是主要的工業技術，而是一個非商業化的技術，但是，它經歷了飛速發展，后來已經形成了專業精確的技術。一開始它是通過二維圖層疊加的方式成型三維的地形圖。但是，1960～1980年，它融合了光聚合設計、粉末熔融工藝和薄片疊層技術，技術已經在加快進步，但是當時沒有太大的市場，對研發的投入就非常少。90年代后，出現電子束熔化等先進的技術，具有商業生機，大量研究者開始轉向開發AM相關軟件，制造出AM專用文件格式和專用軟件。2000年后期，金屬AM更是在其中脫穎而出，成為焦點，許多AM技術也在飛速地提升。

1.3 發展趨勢

國外非常重視增材制造的技術，把它放入了國家戰略和規劃，這個技術已經受到政府、研究機構和企業的廣泛支持，并且美國在制造業改革方面投資了10億美元，成立了美國增材制造創新研究所，以及40多家公司和專業協會。不只有英美在采取措施，德國建立了直接研究中心，目的在于利用增材制造技術發展航空航天領域中部分方面應用，法國建立研究所去專門研究，西班牙建立專項，包括很多方面，主要為共性技術、材料、技術交流和商業模式方面的增材制造，還有日本也在通過各種手段在發展。

激光熔覆成形與修復裝備被我國的一群大學生和老師建立了凝固技術重點實驗室進行以上操作，這一技術可以滿足“自由拆卸”，西安交大已經研究出光固化快速成型技術，國家還為此制造了工程研究中心，在專研下形成了一套快速制造系統，并且他們還研究了許多不同方面的制造技術，實現了光子晶體、一體化鑄型等復雜的零件制造。還有上海理工大學的突出奉獻，在這些奉獻下，我國在許多方面的增材制造取得了重大突破，例如，用于制造附加材料的電子和電氣技術。還有我國本土企業自主研發的“立體電路制造工藝”，這是電子產品范圍應用技術的一個分支。我國增材制造技術正在全面地發展和進步，相信未來幾年還會有大的飛躍。

2 人體植入

2.1 骨骼

增材制造技術在醫學上也應用得非常廣泛，主要輔助醫療器械來進行手術操作，例如，人體植入和手術導向模板等，由于不斷地實踐，發現增材制造技術應用在骨外科領域效果非常好，骨外科主要是對骨骼出現各種問題的解決，而增材制造技術可以對壞損的骨骼進行重新的植入，并且根據壞損的程度不同，植入物的形狀都不相同，這樣普通的技術就無法更準確地完成操作，而增材制造技術則剛好解決了這個問題。首先，是因為增材制造技術自身就擁有不銹鋼、鈷鉻合金這類材料，本身就具有，就避免后天的添加出現錯誤。在使用專業的設備進行激光束的打造，就可以很好地進行修補骨骼。其次，是增材制造技術根據患者的實際情況進行專業和個性化的手術設置，讓手術成功的概率更大，它可以在手術的技術上極大地減少放射性暴露，使放射劑量均衡，近而減少手術風險的概率。它還可以減少術后感染，可以更加保證身體的健康、手術的效果。

2.2 骨科標準化產品

植入物主要應用于骨科，主要應用于骨骼、關節、脊柱等，我國標準化植入物產品已獲得國家食品藥品監督管理總局批準。一些醫學研究院在研制制造人工髖臼杯和人工椎體的金屬增材制造方面進行了合作。然后，進行相關的動物實驗，進行一系列的器官植入在動物體內進行實驗探索，以觀察用電子束打印間融合器是否具有良好的脊柱修復效果，這些效果能否應用在所有患者中間。其次，查看它是否具有穩定性，植入以后會不會出現變質或其他影響，考慮多方面的問題，再進行改正，多實踐，真正應用在我們的骨骼中。

2.3 定制式植入物的應用

由于增材制造的效果非常好，并且可以滿足形狀大小的隨意變化，因其實現了產品的個性化生產，逐漸在醫療行業開始大量推廣使用，制定量身的手術設置，使患者更加放心、安心，對醫生更加有信心。它的標準化產品有很多，可以是應用骨骼的矯正器，對骨骼進行矯正和維護；還可以是對脊柱進行矯正側彎的矯正器，如今脊柱病非常嚴重，人們低頭玩手機，走路也玩手機，造成脊椎的彎曲、脊柱的側彎，整個矯正器就非常方便，使人們更加愿意去矯正，而不是不管不顧。再有就是專門定制的骨科植入物和助聽器，眾所周知，每個耳力有殘疾的人都需要借助助聽器，助聽器不是隨便買一個就行，每個人的聽力程度是不同的，屬于自己的才是最好的，并且有人帶時間長會出現不適，這些都需要我們注意，這樣每個耳力有殘疾的人都可以聽見屬于自己的聲音，可能改變他們的一生，帶給他們自信。但是，對于骨骼的植入處理，要具有優秀的增材制造設備，還應該具有高超的技術，醫生在進行手術時要快準精，根據增材制造的準確設計，分析準確患者的結構特征，進行定制式植入物。

2.4 增材制造植入物應用舉例

（1）膝關節假體。它的病因因人而異，解剖的結構也會存在差異，并且膝關節假體有股骨內外側突出（overhang）的情況或者是脛骨旋轉對齊不良。這時我們就需要增加假體的尺寸規格，再借助解剖型脛骨平臺來進行操作。國外一家公司推出一種定制的假體，它的主要原理是通過其生產的專業軟件對患者的影像數據（CT或MR掃描）進行掃描查看，這樣就可以定制專屬自己的膝關節假體和專用手術機器。還可以通過患者的解剖和影像數據來設計專有的手術設備來進一步制定手術，實現對其壞損部分的精確定位，更加有效地解決手術問題，更好地完成手術。

（2）椎間融合器。它是適用于較小的產品尺寸和復雜的結構，一般用于退行性椎間盤疾病的椎間融合術，使這個疾病有所好轉，降低它的疼痛性，它的主要原理是利用增材制造技術在患者的椎間融入多孔結構，這樣就有利于骨骼的骨長進行穩定的增長。

2.5 藥物

增材制造技術具有非常多的優點，其中很重要的一個優點就是可以對不可釋放的可溶性化合物的藥物進行釋放，并且最近研發出可以使不溶于水的藥物進行釋放。另外，因為它的物質空間分布的準確性和靈活性，可以在多種藥物之間進行聯合配制。最近研究中還制造出迷你藥丸，使口服更加快速。都知道喝藥是一件非常痛苦的事情，這樣可以更好地解決我們的恐懼感，所以增材制造在藥物方面的進步空間還有很大，作用也還有很多，它可以制造多種復雜幾何的藥物，形狀各異，但是效果不減反增，可以通過增材制造技術來根據它的形狀制定藥物的釋放曲線。

3 結構優化及未來發展

3.1 結構優化

（1）增材制造技術應用的范圍非常廣和雜，要想在一方面有重大的突破，就需要在這方面進行不斷的細化分析，再加上專業的知識進行具體的分析，結合相關的技術，一起融合起來，尤其是醫療設備相關的技術，相差一點則差距巨大，很多專業名詞與專業技術，以原理為基礎，增材制造技術為核心進行一些列的改善和提高。

（2）還有就是引進大量的優秀人才，全方面的優秀人才，不論是醫療方面還是技術創造方面，都需要優秀的頂尖人才，為國家做出自己的奉獻，為科研事業所犧牲自己寶貴的時間，利用自己的專業知識跟隨導師做出一些新的突破，國外也在大力地進行增材制造技術的推廣和研發，我們不能在這方面落后，人才培養是關鍵，才可以做到結構的優化和升級。

（3）國家的大力支持，政府應該加大重視增材制造技術的發展，建立專門的研究機構，進行分析研究，建立大學實驗室讓學生積極投身于科研事業中，鼓勵企業進行增材制造技術的創新或是產品的研制，藥物科技集團更加精確的參數，使可以使用該技術的方向更加廣，范圍更加大，使它的結構更加優化，形成自己的制造系統。國家投入資金為研發做堅實的后盾。

3.2 未來發展

上面只是具體分析了其中醫療機械領域的創造，并沒有分析全部使用增材制造的領域，但是我國的產業種類更是非常的多，還會有許多產業的技術沒有覆蓋全面，還有許多可以進步的空間，可以全方位覆蓋，達到生產效率的提高，未來發展的潛能非常巨大。如今人們的生活水平非常高，加班時間多，壓力大，飲食不好，使自己的身體出現了各種問題，我們只是根據如今的疾病進行分析判斷，使用增材制造的技術的醫療設備加快解決疾病和制定適合的設置，但是還有許多隱藏的疾病沒有被我們發現，以后還有許多醫療設備可以使用增材制造的技術，還有藥物的新型研發都可以使用，它在未來的作用非常重大。它也應用在許多重點建設工程上，航空領域，對于飛機的制造材料的特殊性也會應用AM技術，國防軍工中的設備制造，金屬材質的制造，還有我們生活常用的汽車領域的增材制造，所以它在未來的發展趨勢不容小視，很多研究人員在努力地研發更新的科技，它已經有很高的技術了，如果再不斷提升，它將會有更大的未來。

4 結語

增材制造是我國一項重要的技術，它的應用使我國工業、航天、國防、醫療都有重大的突破，它在我們生活中占有重要的作用，增材制造在國內外都占有重要的研究地位，我國應該更加重視和發展該項技術，在這項上超越其他國家，對增材制造技術進行不斷的優化，使它更加完善，覆蓋的領域更加多。但是，也要具備素質較高的研究員，在后方進行付出，增收優秀的青年、具有實際經驗的青年、不怕苦不怕累的青年，為我國的科研項目做出自己的奉獻。對于醫療機械設備更應該進行大量的投入，因為根本無法預見什么疾病前到來，例如，2019年出現的新型冠狀病毒，我們沒有人可以猜到它一發生就是3年，不知道還需要幾年才可以消失，但是，我們有研發疫苗，在有效的控制，以后可能還會發生很小的疾病，多制造一種技術，可能就營救一類人的生命。技術不怕多，好的技術更是，我們要不斷地創新不同的技術，增強其結構的優化，使結構更加完善，避免出現故障等小的問題，及時檢查結構和系統，各方面都做到更好。