3D打印在醫(yī)療器械領(lǐng)域的應(yīng)用分析

張芹芹

摘 要：3D打印技術(shù)的誕生，實現(xiàn)了制造流程的創(chuàng)新，打破了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈的運行模式，推進全球制造業(yè)經(jīng)濟發(fā)生新的變革。隨著信息技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、生物技術(shù)等的迅猛發(fā)展，以及多學科之間的密切配合，3D打印技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用逐漸受到整個社會的高度重視。為推進醫(yī)療行業(yè)的發(fā)展進步，加大力度探討3D打印在該領(lǐng)域的實際應(yīng)用，具有一定現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞：3D打印；醫(yī)療器械；應(yīng)用

隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的不斷進步，一種新型制造技術(shù)-3D打印技術(shù)得以形成，并且以其自身多樣化的成型技術(shù)，在航空航天、能源油氣、醫(yī)療生物以及高端珠寶等領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮著重要的作用。一下就3D打印在醫(yī)療器械領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用情況開展具體分析。

1 3D打印及生物打印技術(shù)簡介

所謂3D打印，即人們常提到的“快速成型技術(shù)”，該項技術(shù)是基于材料堆積法之上所形成的一種創(chuàng)新型制造技術(shù)，與傳統(tǒng)去除材料加工技術(shù)相比，更具獨特性。就其原理來看，主要是以三維CAD數(shù)據(jù)為支持，在快速成型機的作用下將材料堆積成實體，從而實現(xiàn)快速成型。在不同的系統(tǒng)條件下，3D打印原理一致，但所應(yīng)用的成型材料、成型原理以及系統(tǒng)狀態(tài)存在一定差異，可以將其看作是立體化的打印機。

在3D打印中，生物3D打印是比較先進的技術(shù)形式，廣泛應(yīng)用于細胞打印、組織器官打印、手術(shù)器械打印等，其中，手術(shù)器械打印相對成熟，而活體組織打印的難度較大，需要保證結(jié)構(gòu)的生物活性。但隨著科學技術(shù)的發(fā)展，基于高分辨率納米打印技術(shù)的基礎(chǔ)上，DNA打印得以開發(fā)，若能夠?qū)崿F(xiàn)DNA芯片的大批次生產(chǎn)，勢必能夠為癌癥、遺傳性疾病以及肝炎等的診斷和預防提供可靠的依據(jù)，為醫(yī)學的發(fā)展做出不可磨滅的貢獻。

2 3D打印在醫(yī)療器械領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

3D打印以其自身精準度高、個性化和復雜成型等特點，受到醫(yī)療器械領(lǐng)域的高度關(guān)注，甚至與醫(yī)療器械一次性、量身定做等要求相符合，因而3D打印的出現(xiàn)，在醫(yī)療器械領(lǐng)域內(nèi)引發(fā)了一場革命，個性化手術(shù)工具則是3D打印在醫(yī)療器械領(lǐng)域得以應(yīng)用的最鮮明特征。

個性化手術(shù)工具以手術(shù)導板為典型代表，常見的關(guān)節(jié)類導板、脊柱導板等，與此同時，導向定位導板的之多，能夠促進放射劑量分布不均等問題，對于醫(yī)學上腫瘤殘留和疾病復發(fā)等問題的克服具有重要意義。基于的3D打印的個性化手術(shù)工具能夠在一定程度上簡化手術(shù)操作，實現(xiàn)精確化控制，在提高手術(shù)效率以及減少患者感染與并發(fā)癥幾率方面具有重要優(yōu)勢，受到醫(yī)療領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。

就個性化的植入物來看，3D打印個性化的骨科植入物假體是目前3D打印技術(shù)在醫(yī)學領(lǐng)域中最成功技術(shù)之一。在骨外科中，骨病損狀態(tài)是形式多樣、千差萬別的，因此用于骨缺損修復的植入物也只能是個體化的，必須“量體裁衣，度身定做”。3D打印除了用于骨科，在整復外科、口腔科、眼科也能發(fā)揮出獨特的作用。2011年比利時和荷蘭的科學家成功為一個83歲的女性植入了3D打印的下頜骨，該人工下頜骨僅比生理下頜骨重30克，手術(shù)歷時4小時，比傳統(tǒng)的手術(shù)節(jié)約近16小時，且患者功能恢復良好。Hasselt大學預計，在未來，為患者量身定制的各種植入物將被廣泛使用。在不遠的未來，定制化植入物將成為常態(tài)。

就可視化手術(shù)規(guī)劃來看，良好的術(shù)前策劃是手術(shù)成功的關(guān)鍵，特別對于風險較大的手術(shù)，或新開展的手術(shù)，抑或診斷尚不十分清晰的手術(shù)，術(shù)前策劃尤為重要。3D打印為術(shù)前策劃提供了比CT、核磁等更為直觀的手段，方便醫(yī)師進行術(shù)前手術(shù)模擬和手術(shù)策劃?？梢暬中g(shù)規(guī)劃不僅方便術(shù)前會診，利于選擇最佳手術(shù)方案，而且還為年輕醫(yī)生的培訓提供了直觀有效的手段。

就活體人造器官打印來看，3D打印可應(yīng)用到的領(lǐng)域非常廣闊，而活體人造器官的3D打印已經(jīng)超出了大多數(shù)人的想象。美國康奈爾大學3D打印出一種人造耳，可以植入牛的身體，與牛的細胞結(jié)合在一起；英國普林斯頓大學科學家已經(jīng)成功制造出能夠接收無線電波的仿生耳，未來的仿生耳有望能夠聽到真正的聲音；英國愛丁堡赫瑞-瓦特大學專家研發(fā)出的3D打印技術(shù)，可以用胚胎干細胞，并成功制造出首個3D打印微型人體肝臟。具有生命特征的活性人造器官的3D打印的發(fā)展有賴于生物材料、干細胞、組織培養(yǎng)等多學科的科技突破，目前的成果表明在不遠的將來急需器官移植的的病人有可能輕易獲得肝臟、心臟和其他器官；人類這一期待已久的技術(shù)突破已經(jīng)不是遙不可及了。

3 3D打印應(yīng)用于醫(yī)療器械領(lǐng)域所面臨的挑戰(zhàn)

3D打印自身具有準確、高效的優(yōu)勢，以其獨特的制造能力滿足了醫(yī)療器械領(lǐng)域的個性化需求，為人工組織器官制造以及人工假體等方面的制造創(chuàng)造了有利條件。但就3D打印在醫(yī)療器械領(lǐng)域的實際應(yīng)用情況來看，仍面臨著諸多挑戰(zhàn)。

第一，材料研發(fā)難度較大。3D打印的原材料具有一定特殊性，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)液化、絲化和粉末化，還應(yīng)當能夠?qū)崿F(xiàn)重新結(jié)合，以滿足3D打印的諸多要求，保證醫(yī)療器械制造的精準度與有效性。以金屬粉末為例，粒度分布、松裝密度、流動性等都是影響3D打印效果的重要因素。而對于活體器官來說，所選用的材料應(yīng)當有助于維持細胞活性與功能，以滿足醫(yī)學需求，降低各類風險的發(fā)生。由此可知，3D打印在醫(yī)療器械領(lǐng)域的應(yīng)用面臨著嚴峻形勢，尤其是材料研發(fā)難度大，3D打印開發(fā)具有一定特殊性。

第二，應(yīng)用成本較高。3D打印設(shè)備本身造價相對昂貴，日常維護費用偏高；3D打印機的研制還需要圍繞材料的特殊要求進行；目前3D打印材料大多由快速成型設(shè)備廠家直接提供，尚未實現(xiàn)第三方供應(yīng)材料的模式，從而，再一次推高了原材料的價格，給3D打印的進一步普及應(yīng)用帶來了困難。

第三，精度、效率方面還不盡人意。3D打印的精度受到材料、工藝、設(shè)備能力等多方面限制，難以實現(xiàn)高精度零部件直接面向產(chǎn)品的制造，仍需要后期其它加工模式的補充與配合；打印精度與速度之間存在嚴重沖突。因此，如何在保證產(chǎn)品的表面質(zhì)量、力學和物理性能的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)快速制造是設(shè)備開發(fā)商應(yīng)解決的問題。

第四，多種不同特性和不同功能材料的復合打印技術(shù)有待突破，特別是在醫(yī)療3D打印方面這一需求是顯而易見的，例如金屬與陶瓷的復合打印、金屬或陶瓷與高分子材料的復合打印，軟硬組織的復合打印，不同功能的活性組織在細胞級別的打印組裝等等，相信這些近似科學幻想的追求在不遠的將來都將有實現(xiàn)的可能。

4 結(jié)束語

總而言之，信息技術(shù)、數(shù)控技術(shù)以及材料技術(shù)等的發(fā)展進步，為制造領(lǐng)域的發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)，3D打印在醫(yī)療器械領(lǐng)域的應(yīng)用也更為廣泛，尤其是該項技術(shù)在應(yīng)用效率、成本控制和精準度等方面的不斷完善，3D打印勢必能夠在醫(yī)療器械領(lǐng)域內(nèi)開創(chuàng)新的局面。

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