增材制造（3D打?。┽t(yī)療器械質(zhì)量控制點(diǎn)的研究

徐小虎 時(shí)洋 嚴(yán)曉潔 江蘇省醫(yī)療器械檢驗(yàn)所 （江蘇 南京 210019）

增材制造（3D打?。┽t(yī)療器械質(zhì)量控制點(diǎn)的研究

徐小虎 時(shí)洋 嚴(yán)曉潔 江蘇省醫(yī)療器械檢驗(yàn)所 （江蘇 南京 210019）

增材制造（3D打?。┳鳛橐环N新興技術(shù)，在各行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。該技術(shù)在醫(yī)療器械領(lǐng)域亦得到高度的重視，由于其快速成型、個(gè)性化等特點(diǎn)，在齒科、骨科等已從研究階段開始向臨床應(yīng)用快速發(fā)展。由于增材制造工藝涉及影像、軟件、材料等眾多學(xué)科領(lǐng)域，所以需要對(duì)工藝中各環(huán)節(jié)進(jìn)行質(zhì)量控制，本文就增材制造工藝流程，整理質(zhì)量控制點(diǎn)，以供質(zhì)量體系考核和質(zhì)量檢驗(yàn)工作提供參考。

增材制造 質(zhì)量控制點(diǎn)

醫(yī)療器械增材制造是一個(gè)從臨床到制造、再到臨床的過程，包括影像獲取、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、格式轉(zhuǎn)換、材料控制、打印加工、后處理和檢測(cè)驗(yàn)證七方面的過程。每一個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)對(duì)最終產(chǎn)品造成決定性的影響，所以針對(duì)每個(gè)環(huán)節(jié)都應(yīng)該有相應(yīng)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，包括質(zhì)量體系和檢驗(yàn)方法[1-3]。

1.影像獲取

影像獲取環(huán)節(jié)是通過CT、MRI等臨床診療手段獲取病患部位三維數(shù)據(jù)模型。

增材制造的數(shù)據(jù)基本都來自于醫(yī)學(xué)成像設(shè)備，但并不是所有的成像設(shè)備都能提供所需的解剖學(xué)匹配度或成像精度，有很多因素可能影響增材制造的精確度，包括：圖像質(zhì)量和分辨率、平滑處圖像處理算法、清晰的病患標(biāo)識(shí)等。同時(shí)影像獲取后病患部位的變化也有可能影響最終產(chǎn)品用于病患的匹配性，所以影像獲取也應(yīng)考慮病患部位的變化，以及影像的有效期限。

影像獲取是增材制造醫(yī)療器械的輸入文件，在體系和檢驗(yàn)檢測(cè)中都不屬于制造商可控制部分，但制造商應(yīng)該對(duì)此做出要求，以保證輸入的準(zhǔn)確性。

2.產(chǎn)品設(shè)計(jì)

產(chǎn)品設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)是接收模型后，對(duì)預(yù)制造產(chǎn)品進(jìn)行軟件和工序上的設(shè)計(jì)，是整個(gè)增材制造過程中最重要的一環(huán)。

增材制造產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，是一個(gè)涉及多學(xué)科多工藝的過程，尤其是對(duì)于設(shè)計(jì)人員的要求，需要結(jié)合不同學(xué)科的人員和團(tuán)隊(duì)，包括臨床醫(yī)學(xué)、材料學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、圖像處理等。設(shè)計(jì)者可以是一名跨專業(yè)人員，也可以是一個(gè)多專業(yè)團(tuán)隊(duì)，無論如何配置，都需要對(duì)其設(shè)計(jì)過程的文件文檔進(jìn)行嚴(yán)格的規(guī)范和考查，以保證產(chǎn)品安全可靠。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)的第一步應(yīng)該是確認(rèn)臨床需求的產(chǎn)品是否符合增材制造（3D打?。┑奶匦裕m合哪一種增材制造方法。增材制造是一種新型的加工工藝，有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但由于技術(shù)的有限性，也存在其缺點(diǎn)，必須揚(yáng)長避短，不能盲目使用。其次是進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括產(chǎn)品本體形狀設(shè)計(jì)、打印方向設(shè)計(jì)、批處理設(shè)計(jì)（一次成型數(shù)量和位置）、打印參數(shù)設(shè)計(jì)、以及最后需要去除的非產(chǎn)品結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì)。所有的設(shè)計(jì)過程和記錄應(yīng)形成文件，以此來跟蹤產(chǎn)品質(zhì)量、分析風(fēng)險(xiǎn)、回溯過程。

雖然每個(gè)不同產(chǎn)品的設(shè)計(jì)都是獨(dú)立的，尤其是定制式產(chǎn)品，但在設(shè)計(jì)驗(yàn)證方面必須進(jìn)行典型產(chǎn)品和最不利產(chǎn)品驗(yàn)證，包括最不利產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、最不利加工位置等，并在制造前進(jìn)行比較確認(rèn)。

3.格式轉(zhuǎn)換

增材制造醫(yī)療器械生產(chǎn)過程中所涉及的軟件通常來自不同軟件商，在軟件流轉(zhuǎn)中就需要考慮軟件文件的兼容性，以保證文件在不同的軟件程序使用時(shí)不會(huì)出現(xiàn)混亂。這些文件包括影像獲取時(shí)CT/MRI成像文件，產(chǎn)品設(shè)計(jì)用軟件文件和打印制造機(jī)器文件等，每個(gè)文件都有自己的標(biāo)準(zhǔn)，在文件格式轉(zhuǎn)換時(shí)，產(chǎn)生的誤差和失真就有可能對(duì)最終產(chǎn)品的質(zhì)量產(chǎn)生巨大風(fēng)險(xiǎn)，甚至直接導(dǎo)致產(chǎn)品制造失敗。所以當(dāng)制造過程存在格式轉(zhuǎn)換時(shí)，應(yīng)考慮其風(fēng)險(xiǎn)性，并通過驗(yàn)證，證明相關(guān)轉(zhuǎn)換工作的可靠性。

4.材料控制

作為一種新型生產(chǎn)工藝，增材制造醫(yī)療器械對(duì)生產(chǎn)原料的要求極其嚴(yán)格。一方面材料必須適用于增材制造工藝，滿足與打印制造設(shè)備相匹配的參數(shù)，例如粒徑和粒徑分布（粉末）、直徑和均一度（絲材）、液體黏度和黏彈性、高分子的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、金屬純度等。更重要的一方面是必須滿足醫(yī)療器械臨床和法規(guī)的要求，包括物理力學(xué)和結(jié)構(gòu)表征、結(jié)構(gòu)和制造缺陷、化學(xué)成分和夾雜鑒別、顯微結(jié)構(gòu)和交聯(lián)程度等。針對(duì)增材制造醫(yī)療器械，需要進(jìn)行全面的生物相容性評(píng)價(jià)，不僅包括常規(guī)的評(píng)價(jià)項(xiàng)目，還需要對(duì)其材料制造的成品進(jìn)行長期溶出和對(duì)組織生長的誘導(dǎo)作用，進(jìn)行進(jìn)一步的研究和評(píng)價(jià)。

增材制造中一般會(huì)重復(fù)多次使用材料，重復(fù)利用的材料的性狀與未被重復(fù)使用的有可能會(huì)發(fā)生較大變化，如果器械制造商使用重復(fù)利用的原料，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行分析和驗(yàn)證，控制使用重復(fù)材料的產(chǎn)品的性能，并形成相關(guān)的流程和確認(rèn)文件。

5.打印加工

增材制造打印設(shè)備的可靠性和參數(shù)的設(shè)置直接關(guān)系醫(yī)療器械成品的質(zhì)量，復(fù)雜的控制軟件和眾多的參數(shù)都是保證目標(biāo)產(chǎn)品性能需求的關(guān)鍵。醫(yī)療器械制造用增材制造設(shè)備與普通工業(yè)用設(shè)備相比較，參數(shù)的選擇和軟件的控制應(yīng)更為嚴(yán)格。作為醫(yī)療器械用打印機(jī)，應(yīng)明確預(yù)期影響產(chǎn)品性能的指標(biāo)參數(shù)，如打印精度、表面粗糙度、成形大小等，以供器械制造商根據(jù)需求選擇不同參數(shù)設(shè)備。

同時(shí)作為醫(yī)療器械產(chǎn)品用制造設(shè)備，打印機(jī)必須采取相關(guān)保護(hù)措施，避免自身或外界有害物質(zhì)污染最終產(chǎn)品，例如，對(duì)直接接觸產(chǎn)品的配件選取相容性好的材料、設(shè)置隔離環(huán)境保護(hù)打印時(shí)不會(huì)摻雜進(jìn)其他外界有害物質(zhì)等。

6.后處理

增材制造醫(yī)療器械的后處理包括熱處理、表面處理、非產(chǎn)品結(jié)構(gòu)部位清除、深度機(jī)加工、以及清潔和滅菌。與常規(guī)制造不同，增材制造的后處理對(duì)最終產(chǎn)品質(zhì)量有非常大的影響。由于增材制造逐層加工的原理，使其在打印制造成型后，存在很多缺陷和風(fēng)險(xiǎn)，例如成型過程中的不確定性、產(chǎn)品機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性、多孔或溝壑結(jié)構(gòu)中的殘留材料等，都有可能造成最終產(chǎn)品的風(fēng)險(xiǎn)。相比較其他環(huán)節(jié)，后處理除了增材制造的共性化要求，存在更多針對(duì)最終產(chǎn)品的個(gè)性化要求，所以器械商應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)后處理的重視程度，根據(jù)自身產(chǎn)品明確后處理工藝流程，做好檢驗(yàn)和驗(yàn)證工作。

7.檢驗(yàn)驗(yàn)證

增材制造醫(yī)療器械的檢驗(yàn)和驗(yàn)證工作相比于常規(guī)醫(yī)療器械，更加復(fù)雜。無論是批量化產(chǎn)品或是個(gè)性定制產(chǎn)品，樣品代表性和破壞性試驗(yàn)的問題增加了抽樣檢驗(yàn)的難度，所以在整個(gè)制造工藝流程中，驗(yàn)證和確認(rèn)更多地代替了產(chǎn)品檢測(cè)，這也增加了風(fēng)險(xiǎn)。

驗(yàn)證應(yīng)貫穿于增材制造全流程，充分挑戰(zhàn)所有材料、結(jié)構(gòu)和參數(shù)的極限不利狀態(tài)，而不能只針對(duì)理想和常規(guī)狀態(tài)進(jìn)行檢驗(yàn)。除了結(jié)構(gòu)、位置等可控參數(shù)的驗(yàn)證，對(duì)工藝流程中的不可控參數(shù)也必須進(jìn)行驗(yàn)證，例如，材料的參數(shù)偏移、特殊不利環(huán)境造成的成型偏差（溫濕度、潔凈度）、打印設(shè)備參數(shù)變動(dòng)造成的偏差（電壓、激光部件壽命等）。

所有驗(yàn)證工作不僅需要詳細(xì)的設(shè)計(jì)和記錄，更重要的是驗(yàn)證參數(shù)的可確認(rèn)性。例如，驗(yàn)證設(shè)計(jì)中規(guī)定了材料的一些理化性能，并通過第三方檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行確認(rèn)，但這些理化性能在實(shí)際制造過程中無法快速確認(rèn)，甚至無法確認(rèn)參數(shù)，那么無論該驗(yàn)證所針對(duì)參數(shù)對(duì)制造有何等重要性，無法落實(shí)到確認(rèn)就沒有任何的意義。

檢驗(yàn)分為非破壞性和破壞性試驗(yàn)。非破壞性試驗(yàn)主要包括一些尺寸、外觀，也可以通過CT/X射線等手段進(jìn)行深入檢驗(yàn)，這些檢驗(yàn)可能在要求上無法做到精確定量，但必須做到檢驗(yàn)的有效性，必要時(shí)應(yīng)有圖片或標(biāo)準(zhǔn)件比對(duì)，以把握判定尺度。破壞性試驗(yàn)就涉及到抽樣的問題，所以需要在批量制造過程中，另外增加制造檢驗(yàn)用樣品，一方面保證材料和參數(shù)的統(tǒng)一性，另一方面需要保證結(jié)構(gòu)和位置的代表性或者最不利性，同時(shí)保證足夠的試驗(yàn)數(shù)量。

8.其他要求

隨著增材制造在醫(yī)療器械制造方面的發(fā)展，新的應(yīng)用和新的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)不斷涌現(xiàn)。增材制造醫(yī)療器械產(chǎn)品與藥品的結(jié)合、在誘導(dǎo)組織生長的應(yīng)用、多種材料復(fù)合制造等，都會(huì)對(duì)增材制造工藝產(chǎn)生進(jìn)一步的延伸，會(huì)對(duì)檢驗(yàn)驗(yàn)證提出新的要求。

9.總結(jié)

總的說來，增材制造醫(yī)療器械的質(zhì)量控制需要同時(shí)重視質(zhì)量體系和質(zhì)量檢驗(yàn)工作，其制造安全性建立在大量的文件記錄和檢驗(yàn)驗(yàn)證，與常規(guī)生產(chǎn)工藝醫(yī)療器械相比，需要在體系標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)投入更大更多的人力和精力，需要政府、制造商、供應(yīng)商和研究機(jī)構(gòu)通力合作，控制增材制造醫(yī)療器械產(chǎn)品的質(zhì)量，充分發(fā)揮新技術(shù)新工藝的作用，保證臨床有效性和安全性。

[1]王安琪,馮曉明,楊昭鵬,等.3D打印在醫(yī)療器械領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀及展望[J].中國醫(yī)療器械信息,2014,20(8):1-7,33.

[2]張陽春,張志清.3D打印技術(shù)的發(fā)展與在醫(yī)療器械中的應(yīng)用[J].中國醫(yī)療器械信息,2015,21(8):1-6.

[3]王安琪,柯林楠,黃元禮,等.3D打印醫(yī)療器械標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀和產(chǎn)品質(zhì)量控制研究[J].中國醫(yī)療器械信息,2017,23(3):25-29.

Research on Quality Control Point of Medical Instrument by Additive Manufacturing (3D Printing)

XU Xiao-hu SHI Yang YAN Xiao-jie Jiangsu Medical Devices Testing Institute(Jiangsu Nanjing 210019)

As an emerging technology, additive manufacturing (3D printing) has been widely used in various industries. The technique has been highly valued in the field of medical devices, and due to its rapid prototyping and personalized characteristics, it has been developing rapidly from the research stage to the clinical application. Due to the increase of material manufacturing process involving video, software, materials, and many other fields, so need to quality control of process each link, in this paper, the material manufacturing process, quality control points, to provide reference for assessment of the quality system and quality inspection.

additive manufacturing,quality control point

1006-6586(2017)19-0006-02

R197.39

A

2017-08-11