3D打印技術(shù)影響下對(duì)殘疾人的輔助設(shè)計(jì)

趙一凡

摘要：近年來，對(duì)3D打印技術(shù)的研究越來越多，隨著對(duì)3D打印機(jī)打印算法不斷提高和打印材料的不斷更新，3D打印已經(jīng)可以應(yīng)用到越來越多的領(lǐng)域了。而這其中應(yīng)用最多的領(lǐng)域和發(fā)展最迅速的領(lǐng)域要數(shù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?；卺t(yī)療的3D打印可以幫助各種殘疾人進(jìn)行骨骼修復(fù)和個(gè)體化假肢定制等，發(fā)展前景很廣泛。

關(guān)鍵詞：3D打印；殘疾人；輔助

3D打印技術(shù)又稱為快速成型技術(shù)，就是指3D打印技術(shù)可以通過計(jì)算機(jī)制定的模型進(jìn)行精確的制造，這是目前3D打印技術(shù)樹的應(yīng)用領(lǐng)域。而這項(xiàng)技術(shù)對(duì)殘疾人輔助作用的提高可以說前景廣泛。我們可以通過精確的計(jì)算對(duì)殘疾人量身定做合理的假肢或者輔助器械，由于3D打印成本低廉、制造模型由電腦控制、精準(zhǔn)無誤、材料選擇可以對(duì)人體無害等，越來越多的打印技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到實(shí)踐中，發(fā)展前景十分廣泛。

1 3D打印的原理和過程

1.1 3D打印的原理

傳統(tǒng)的模型構(gòu)建需要經(jīng)過圖像分割、幾何重建、網(wǎng)格生成和材料的選擇等。而3D打印技術(shù)基本上可以分為以下幾步：首先是進(jìn)行三維模型的設(shè)計(jì)，即在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域我們通過會(huì)患者進(jìn)行斷層掃描技術(shù)進(jìn)行立體的分層掃描，以便獲取需要進(jìn)行構(gòu)建部位的立體信息，然后對(duì)掃描得到的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，通過相應(yīng)的輔助設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而得到需要建模物體的立體數(shù)據(jù)和三維模型。第二個(gè)步驟則是進(jìn)行切片處理，即通過對(duì)物體3D模型的斷層分析實(shí)現(xiàn)對(duì)需要打印物品的數(shù)字化，以便打印機(jī)能夠讀取識(shí)別模型。最后一步則是實(shí)施3D打印的操作，即將所需要的材料的數(shù)字格式輸入到3D打印機(jī)，打印機(jī)可以根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)選擇相應(yīng)的材料進(jìn)行精準(zhǔn)的逐層打印，所打印出的物體和模型物體能夠達(dá)到一致。

1.2 3D打印的方法

3D打印技術(shù)根據(jù)耗材和技術(shù)原理的不同，可以分為熔融沉積法、激光燒結(jié)法和光固定法等方式

1）熔融固定法是指利用高溫將打印材料在高溫下融化成液體的狀態(tài)，這些經(jīng)過高溫加熱后的液體通過打印機(jī)的噴嘴口噴出之后會(huì)迅速的冷卻然后固化。固化后的材料外層再繼續(xù)打印固化，通過層層的疊加不斷地打印最終能夠形成符合要求的實(shí)物。這種方式打印的優(yōu)點(diǎn)就是可以使用多種材料進(jìn)行打印，而且對(duì)打印機(jī)工作的環(huán)境要求也不高，常溫常壓下即可進(jìn)行打印操作。其缺點(diǎn)是成型的材料受到溫度和環(huán)境以及其他因素影響較多，因?yàn)楸砻鏁?huì)比較粗糙，甚至?xí)c模型有一定誤差，而且如果打印大型材料則需要支撐。

2）激光粉末燒結(jié)法則是將需要打印的材料平鋪在打印成型臺(tái)上，然后通過高強(qiáng)度的激光掃描在平臺(tái)上掃描出打印模型的截面，然后再進(jìn)行平鋪粉末和打印截面操作，如此反反復(fù)復(fù)，最終能夠打印出需要的材料。這種打印方式同樣適用于多種材料，而且可以打印特殊復(fù)雜的模型。而且通過這種方式可以一次形成多個(gè)模型。缺點(diǎn)是容易產(chǎn)生粉塵。

3）光固定法則是指通過利用光敏材料進(jìn)行打印。這種方式是在打印平臺(tái)周圍設(shè)置一個(gè)液體的凹槽，里面裝滿了光敏材料，即通過紫外線照射可以固化的液體。每一層固化之后則將平臺(tái)向下移動(dòng)然后進(jìn)行下一層的固化，如此反復(fù)。這種方式類似于激光法，同樣可以打印復(fù)雜的材料，而且精度高。但缺點(diǎn)是材料選取單一，而且材料價(jià)格昂貴。

可以說3D打印技術(shù)通過不斷發(fā)展和完善，已經(jīng)可以應(yīng)用不同的打印材料和打印方法進(jìn)行不同方式的打印，隨著技術(shù)的發(fā)展和打印算法的完善，我們可以在時(shí)間和成本可控的情況下打印需要的材料，具有十分廣泛的發(fā)展前景。

2 3D打印對(duì)殘疾人的輔助作用

2.1身體殘缺處的彌補(bǔ)

利用3D打印技術(shù)對(duì)人體內(nèi)需要修補(bǔ)和替換的骨骼部位進(jìn)行修復(fù)已經(jīng)是目前常見的醫(yī)療方式了。因?yàn)楣趋罌]有生命力，形狀固定，因此比較容易通過人工材料進(jìn)行合成，是目前最適合進(jìn)行3D打印的方式。目前3D打印假肢是國(guó)際上公認(rèn)的合理的應(yīng)用方式。由于殘疾人的病變部位和殘缺部位都不會(huì)完全相同，因此很難生產(chǎn)統(tǒng)一的模型進(jìn)行修改，3D打印技術(shù)的出現(xiàn)改變了這一難題。我們可以通過傳統(tǒng)醫(yī)療的斷層掃描技術(shù)得到的患者病變的圖像進(jìn)行分析，然后通過分析數(shù)據(jù)得到每個(gè)患者各自的所需要的打印部位的精確數(shù)據(jù)。我們只需要選取合適的材料，將得到的打印數(shù)據(jù)進(jìn)行精確地打印即可得到適合患者的殘缺部位替代品。

目前，3D打印技術(shù)已經(jīng)在臨床上引用到了手術(shù)的輔助治療。并研究了如何將CT三維重建設(shè)計(jì)和3D打印的導(dǎo)板應(yīng)用到手術(shù)中，這種方式可以提升手術(shù)的安全性。目前3D打印在個(gè)性化骨科植入手術(shù)和膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)等都已經(jīng)采取了臨床的應(yīng)用。傳統(tǒng)的置換手術(shù)通過手術(shù)器械進(jìn)行定位，這樣的定位方式即使是經(jīng)驗(yàn)豐富的醫(yī)生也難免會(huì)產(chǎn)生誤差，而利用計(jì)算機(jī)輔助定位可以將誤差大大減小。此外3D打印技術(shù)也成功應(yīng)用于兒童假肢的制作，這種方式能夠滿足兒童假肢的特殊性和良好固定性以及輕便性質(zhì)。2014年科學(xué)家和醫(yī)生通過共同的努力成功將通過3D打印的假肢應(yīng)用到一名5歲先天性殘缺手臂的女童上。

2.2貼身護(hù)具的制作

殘疾人可以通過護(hù)具和衣服等貼身用品實(shí)現(xiàn)對(duì)身體殘缺部位的彌補(bǔ)和保護(hù)。傳統(tǒng)的殘疾人采用石膏進(jìn)行骨折后部位的固定，采用護(hù)膝等就行關(guān)節(jié)的輔助保護(hù)。而這些器械如果采用3D打印技術(shù)進(jìn)行掃描和制造，不但能夠產(chǎn)生比傳統(tǒng)保護(hù)器具更加精確、更加適合患者的保護(hù)用具，而且材料的選擇可以更加廣泛。我們可以根據(jù)不同的患者和不同的部位以及病變的嚴(yán)重情況選擇合適的材料進(jìn)行打印。目前很多公司正在研究不同的新型打印材料和打印算法，以便產(chǎn)生更加精確和更加適合殘疾人的3D打印技術(shù)。

2.3殘疾人周邊生活用品的制造

殘疾人對(duì)于其使用的商品通常具有特殊的要求。而針對(duì)這一類患者往往很少有公司和制造商為其制造特殊的用具，而3D打印技術(shù)發(fā)展之后我們可以用十分低廉的價(jià)格生產(chǎn)適應(yīng)不同殘疾人的生活用品。例如對(duì)于手臂有問題的殘疾人客戶，我們可以通過制造帶有弧度或者加長(zhǎng)的勺子讓其方便使用。而對(duì)于手部操作困難的用戶，我們可以通過生產(chǎn)具有豐富紋理的碗等用具或者生產(chǎn)符合每個(gè)殘疾人使用尺寸的產(chǎn)品來提高殘疾人的生活質(zhì)量。這些方式在以前如果實(shí)現(xiàn)定制，需要一個(gè)生產(chǎn)商特殊的定制，十分困難而且價(jià)格昂貴。而3D打印可以使這些東西簡(jiǎn)單廉價(jià)的生產(chǎn)。

此外我們還可以定制適合殘疾人的其他用品，如床、桌子和廚具甚至地板等。有了3D打印技術(shù)，這些商品都可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行定制和生產(chǎn)。傳統(tǒng)的產(chǎn)品生產(chǎn)需要設(shè)計(jì)師進(jìn)行模型的設(shè)計(jì)并輸入機(jī)器，然后在生產(chǎn)線進(jìn)行生產(chǎn)，如果不是批量投入生產(chǎn)，需要占用特殊的生產(chǎn)線進(jìn)行生產(chǎn)，代價(jià)十分高。而3D打印技術(shù)的出現(xiàn)可以很輕易的實(shí)現(xiàn)模型的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，只需要3D打印機(jī)簡(jiǎn)單的工作幾分鐘，便可以得到需要的用具。

3 3D打印技術(shù)對(duì)殘疾人輔助作用的發(fā)展前景

3D打印目前不僅僅可以通過以上輔助措施幫助殘疾患者更好的生活。在現(xiàn)在的研究中3D打印技術(shù)已經(jīng)向著生物3D打印技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行該研究。如進(jìn)行細(xì)胞3D打印的研究，目前已經(jīng)可以打印出有著高達(dá)90%存活率的細(xì)胞進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)四個(gè)月的生存，這一技術(shù)應(yīng)用廣泛，如再生醫(yī)學(xué)、組織工程和癌癥的研究等都提供了新的發(fā)展方向。

3D打印技術(shù)還有一個(gè)重要的應(yīng)用發(fā)展方向就是人體組織器官的研究，可以通過打印人體器官，為構(gòu)建和修復(fù)組織器官提供技術(shù)支持?，F(xiàn)在的醫(yī)療條件下，平均100名需要進(jìn)行器官移植的患者只有一個(gè)人能夠等到可用的符合患者的供體。而有了3D打印技術(shù)，用其來打印器官，不但能夠解決供體不足的問題，還能夠避免了器官之間的排異現(xiàn)象的發(fā)生。隨著該技術(shù)的不斷發(fā)展，未來人們通過更換器官進(jìn)行病變的治療就成了可能。

再生醫(yī)療是一個(gè)飛速發(fā)展的科技領(lǐng)域，是未來醫(yī)療發(fā)展的一個(gè)重要方向。但由于人體器官的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和功能，以往的技術(shù)難以制造出功能完善的替換器官。雖然諸如牙齒、髖關(guān)節(jié)等骨科替換產(chǎn)品已經(jīng)相當(dāng)完善，但是由于特種陶瓷和鈦合金等沒有排異反應(yīng)的生物相容性材料加工難度很高，所以相關(guān)的人體器官置換費(fèi)用高昂。對(duì)于含有豐富血管和神經(jīng)組織的器官，現(xiàn)階段還只能依靠異體器官移植來解決，遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際需要，并且涉及倫理和法律方面的諸多問題。而3D打印技術(shù)的發(fā)展不僅解決了生物相容材料的加工問題，同時(shí)也開始向著直接打印復(fù)雜生物組織的方向發(fā)展。近年來已經(jīng)有研究團(tuán)隊(duì)通過3D打印技術(shù)，配合人體干細(xì)胞的研究實(shí)現(xiàn)了諸如腎臟等主要器官的制做。2010年澳大利亞Invetech公司和美國(guó)Organovo公司合作.嘗試以活體細(xì)胞為“墨水”打印人體的組織和器官。在可以預(yù)見的未來，我們可以通過3D打印技術(shù)將我們自身的干細(xì)胞制成沒有任何排異反應(yīng)的替換器官，并且可以完美的還原我們自身的器官形態(tài)，這將使人類醫(yī)療史和生物工程史上的巨大進(jìn)步。

4結(jié)論

目前的3D打印技術(shù)有優(yōu)勢(shì)也有劣勢(shì)，所以將其成功地應(yīng)用于骨科的各個(gè)領(lǐng)域仍有很長(zhǎng)的一段路要走，而一旦成功應(yīng)用，將具有傳統(tǒng)手術(shù)方法無法比擬的優(yōu)越性。隨著其技術(shù)的發(fā)展，在不久的將來很可能會(huì)逐步實(shí)現(xiàn)組織工程支架、植入物、人工關(guān)節(jié)、假肢等的私人定制，甚至可以使基于3D打印技術(shù)的生物組織、器官再生成為可能，3D打印技術(shù)給人類帶來無盡的想象和可能。

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