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国际金属加工网 2018年07月05日

3D打印,又称增材制造(AM),是根据所设计的3D模型,通过3D打印设备逐层增加材料来制造三维产品的技术。与传统制造技术相比,由于3D打印不必事先制造模具,不必在制造过程中去除大量的材料,也不必通过复杂的锻造工艺就可以得到最终产品,因此,在生产上可以实现结构优化、节约材料和节省能源。3D打印技术的这些优势,使其适合于新产品开发、快速单件及小批量零件制造、复杂形状零件的制造、模具的设计与制造等,也适合于难加工材料的制造、外形设计检查、装配检验和快速反求工程等。因此,3D打印产业在国内外越来越受到广泛关注,正在成为具有广阔发展前景的朝阳产业。

医疗行业一直是3D打印技术主流应用领域。3D打印技术具有的灵活性高、不限数量、节约成本等特点,能够非常好地满足医学领域个体化、精准化医疗的需求。据报道,2012年,3D打印医疗占到整个3D打印市场份额的16.4%。有表明,2012年,全球3D打印医疗应用市场为35450万美元,预计从2013-2019年的复合年增长率将达15.4%,2019年的市场规模将达到96550万美元。

一、3D打印在医疗领域的优势

1.定制化

3D打印在医疗领域应用的最大优势在于可以方便地生产定制化产品和设备。例如,使用3D打印定制人体假肢和植入物,这为患者和医师提供极大的便利。另外,3D打印可以定制外科手术用的夹具、固定装置等,极大地缩短了手术时间,提高手术成功率,减小了术后患者恢复时间。未来,3D打印技术也将用于患者的药物类型、剂量选择等。

2.提高成本效益

3D打印在医疗领域的另一个优势在于可以降低成本。3D打印在小批量生产的成本控制上优势明显。而对于传统生产工艺而言,只有在大批量生产条件下才能降低成本。在小尺寸的人体植入物如脊柱、牙齿或头颅修复方面,3D打印的成本非常低,有利于小批量产品试制及模型验证的推进。

3.提高生产效率

3D打印可以实现在几个小时内加工出一件产品。例如在假肢和人体植入物方面,传统的加工工艺需要经过球磨、锻造和长时间的交货期,而3D打印仅仅只需将模型输入打印机,数小时内就可以完成产品的生产与交付,这使得它在假肢和植入物方面比传统的加工方式效率更高。除了速度之外,在质量方面,例如尺寸精度、可重复性及可靠性,3D打印也正在改进。

4.自由化

3D打印的另外一个优势是任何人都可以通过该工艺去设计和制造产品[2]。目前,越来越多的材料逐渐被3D打印所使用,并且这些耗材的成本正在逐步降低,于是更多的人可以根据自己的想法去设计和打印一些新兴的事物。

3D打印可以很好地实现设计共享,研究者可以在公开的数据库中能够很方便地获取stl格式的参数及数据模型文件,从而可以摒弃通过杂志期刊下载文件后重现所描述模型参数的传统方式。通过对该模型的3D打印,可以得到医疗器械及装置的完美复制品。为此,2014年,美国国立卫生研究院建立了3D打印部用来促进3D模型文件在医疗、解剖、细菌和病毒领域的数据共享。

二、3D打印在医疗领域的应用

3D打印从2000年开始被应用于医疗领域,最早用于牙齿、人体植入物和定制化修复过程。从那时起,医疗应用发生了很大改变。最近发布的研究表明,3D打印可以制造人体各种器官组织包括骨骼、耳朵、气管、颌骨、眼镜、细胞、血管、组织以及药物及输送装置等。目前,3D打印医疗应用主要可以分为以下几个方面:器官及组织制作;制备假肢、植入物及解剖学模型;药物的发现、输送及剂型研究。下面分别讨论这些医学应用。

1.生物组织与器官打印

由于衰老、疾病、事故和出生缺陷导致的器官损伤或器官功能衰竭是一个严重的医学问题。目前对器官衰竭的治疗主要依靠器官移植,这些器官来自于其他人活着死者的捐赠。但是,活体器官捐赠数量一直面临短缺问题。在2009年,美国154324例患者在等待活体器官,这其中仅仅只有18%的患者能接受器官移植,每天都有25位患者在等候中死去。截至2014年初,美国约有120000人在等待器官移植,1个器官移植手术和后续手术费用也很昂贵,另外一个问题是器官移植涉及寻找一个和患者器官组织匹配的供体的难度非常大。这个问题目前可以通过从器官移植患者自身取得细胞,通过细胞培养技术建立一个替代器官,这将减少组织排斥反应的风险以及需要采取终身免疫抑制剂带来的痛苦。

基于生物组织工程和再生医学的治疗被认为是解决器官供体短缺的一种有发展前景的方案。传统的生物组织工程是将干细胞从组织样本中分离出来,将其与生长因子混合,在实验室中繁殖,然后将这些细胞接种到细胞增殖平台上,最后分化为功能性组织,虽然目前仍处于起步阶段,但是在细胞增殖支架方面比传统的再生方法具有明显的优势,例如:细胞的高精度定位、速度控制、细胞浓度和打印细胞尺寸控制等。

细胞3D打印是利用生物材料通过3D打印技术逐层连续创建三维组织结构来实现细胞、生物组织的直接成型。其中用于构建支架的材料有多种,材料的选择取决于生物结构所需的强度、孔隙率和组织类型。通常,水溶胶被认为是生产软组织的最佳材料。

生物3D打印系统主要以激光、喷墨和挤压成型为主,其中喷墨打印技术最常见。这种方法是将活细胞或生物材料的液滴按照数字模型的轨迹沉积在基板上来复制人体组织或器官。设备系统中的多个打印头可以用来存放不同类型的细胞(血管、肌肉),用来满足整体生物组织及器官的成型。

生物3D打印器官的过程包括:①创建血管及组织的三维数字模型;②建立打印策略;③分离干细胞;④将干细胞分化为特定器官的细胞;⑤制备bioink,其中包含特定器官细胞、血管细胞和运载基质,随后将其放入打印机;⑥进行生物3D打印;⑦将打印完成的器官放入生物反应器中。激光打印也被应用于细胞打印过程中,激光能量常用于激活细胞,提供细胞外环境的控制。虽然生物器官3D打印技术仍处于起步阶段,但是多项研究已经证明该项技术的可行性。有研究者已经使用3D打印机制造膝关节半月板、心脏瓣膜、脊柱盘、其它类型的软骨以及人工耳。Cui等人已经利用喷墨3D打印技术修复人类关节软骨。Wang等人使用3D打印技术在多种生物相容性良好的水溶胶中打印细胞来重建人工肝脏。密歇根大学的医生在新英格兰医学杂志上发表了一个案例,其使用CT扫描患者的呼吸气管道图像,对患者支气管进行精确建模,然后利用3D打印技术打印出气管夹板,成功植入到一个患有支气管软化症婴儿的气管中,预计3年内夹板将被婴儿体内完全吸收。

在国外,许多生物技术公司都在研究生物组织和器官的再造技术。Organovo的研究者正在利用该技术打印肝脏组织,他们希望这些材料能够在新药的筛选上提供便利。

2.外科用解剖学模型

3D打印技术是解决外科手术中人体的个体差异和复杂性的理想方案。通过3D打印技术可以重建病人的解剖模型以供医生研究或进行模拟手术,这提高了对患者病情的认识以及手术的成功率,而单纯的使用MRI和CT扫描的二维图像去观察,很难具有更全面的认识。使用3D打印模型进行外科培训也比尸体上的训练更可取。此外,尸体往往缺乏适当的病理学,因此通过3D打印技术提供的解剖学课程要比外科病人提供的实例更多。

3D打印神经解剖学模型可以更加清楚的展示出人体中复杂的神经网络系统,如图1所示,这为神经外科医生的研究提供了帮助。因为脑神经、血管、脑结构和颅骨结构之间是错综复杂的,仅基于2D图像很难产生更加全面的认识,如果了解有微量的偏差,对后续的解剖过程可能带来潜在的影响。一个逼真的3D模型可以全面反映出病灶与正常脑结构之间的关系,这对指导后续的手术操作是非常有利的,它也可以为神经外科医生在面对挑战性的手术前提供演示性操作。此外,通过使用3D打印模型,也可以更好地研究脊柱变形问题。

目前来看,虽然3D打印在解剖领域很大程度上是探索性的,但是3D打印模型已经被用于许多情况下,例如日本神户大学医院的外科医生计划用3D打印的肝脏模型进行活体移植,他们使用病人器官的复制品来确定如何最好地切开供体肝脏,使其组织损伤最小,更好地适应接受者的腹腔。这些3D模型通常是由部分透明、低成本的丙烯酸树脂或聚乙烯醇材料制成,其含水量和质地类似于活体组织,因此手术实验也更加逼真。

一种用于外科手术的3D打印模型

3.3D打印药物输送装置

3D打印技术已经被应用于药物的研究和制造,它们有望成为一项革命性的技术。3D打印的优点包括精确控制液滴的大小和剂量,重现性好,以及具有复杂药物释放曲线的剂型的能力。复杂的药物生产过程也可以通过使用3D打印来进行标准化,使它们更简单、更可行。3D打印技术在个性化医疗的发展中也起着非常重要的作用。

4.定制化药物

药物开发的目的在于提高疗效和减少不良反应的风险,这一目标可能会通过应用3D打印技术生产个性化药物来实现。口服片剂是最受欢迎的药物剂型,因为它具有易于制造、避免疼痛、精确的剂量和良好的病人依从性等特点,然而,没有一种可行的方法可用于制备个性化的固体剂型,如片剂。目前,口服片剂是通过诸如混合、碾磨、干燥和湿的粉末成分造粒制得的,这些粉末成分通过压缩或铸模形成片剂。这些制造步骤中的每一个环节都可能为药物的制备带来困难,如药物降解和形态变化,最终可能导致配方或药品批量制造失败的问题。此外,这些传统的制造工艺不适合创建个性化药物,限制了具有高度复杂几何形状、新的药物释放曲线和长期稳定性的定制剂型的制造能力。

药剂师可以分析病人的药理学的档案,以及其他特征如年龄、种族或性别,以确定最佳的用药剂量。然后,药剂师可以通过3D打印系统打印和分发个性化药物。如有必要,可以根据临床反应进一步调整剂量。

3D打印也在全新的制剂如包括多种活性成分的药丸制备上具有潜力。对于患有多种慢性疾病的患者而言,可以在医疗点去打印所需的药片,一个药片中可以为患者提供精确、个性化的多种药物治疗,这有助于提高患者对药物的依从性。未来,药店可以为他们的顾客直接出售3D打印定制化的药品。

3D打印已经在多个领域包括医学成为一个潜在的变革的工具,随着打印机的性能、分辨率和可用的原材料种类的增加,其应用的范围越来越广。研究人员利用3D打印技术不断地改进现有的医疗应用程序,去探索新的医疗方向。3D打印目前在医学领域所取得的了显著成果,但在一些革命性的应用如人体器官打印方面,则还有很长的路要走。


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