3D打印技術(shù)及其在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用

沈啟航

【摘 要】：在各種新型醫(yī)療技術(shù)的應(yīng)用中，3D打印技術(shù)在制造醫(yī)療器材與輔助醫(yī)療手術(shù)方面具有傳統(tǒng)工藝無法比擬的優(yōu)勢。不同于傳統(tǒng)制造技術(shù)，3D打印是指按照指定模型通過增加材料的方式進(jìn)行模型和產(chǎn)品制造的方式，在健康中國戰(zhàn)略的引領(lǐng)下，3D打印技術(shù)必然會發(fā)揮越來越大的作用。本文對3D 打印技術(shù)的發(fā)展歷程以及在醫(yī)療領(lǐng)域中的具體應(yīng)用進(jìn)行綜合概述，同時分析了其在醫(yī)療領(lǐng)域中的優(yōu)勢和目前存在的不足之處，對3D打印在醫(yī)療領(lǐng)域的進(jìn)一步研究有一定的借鑒意義。

【關(guān)鍵詞】：3D打??；醫(yī)療；牙齒修復(fù)

【中圖分類號】R782.2 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1005-0019（2019）05--02

1 引言

隨著時代的發(fā)展，普通制造模式愈發(fā)顯示出自身固有的缺點：減材加工的材料浪費(fèi)，制造復(fù)雜產(chǎn)品的局限性，加工產(chǎn)品的單一性等等，于是能夠克服這些缺陷的3D打印技術(shù)便應(yīng)運(yùn)而生。自從1986年第一臺商業(yè)3D打印機(jī)出現(xiàn)以后，經(jīng)過材料工藝和制造工藝的不斷提升，現(xiàn)在的3D打印技術(shù)效率高、成本低、高靈活度、縮短產(chǎn)品研發(fā)周期等優(yōu)勢，廣泛地應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療、工程建筑等生產(chǎn)生活領(lǐng)域。

2 3D打印技術(shù)

2.1 3D打印技術(shù)概況

區(qū)別于傳統(tǒng)制造方式，3D打印是一種典型的增材制造技術(shù)，主要通過材料的堆積來完成產(chǎn)品的加工[1]。3D打印技術(shù)相對于其他的傳統(tǒng)制造技術(shù)而言，具有如下優(yōu)點：首先，其不需要傳統(tǒng)的夾具、機(jī)床或任何模具，只需要3D打印機(jī)就能直接把計算機(jī)的三維CAD圖形生成實物產(chǎn)品，這大大降低了購置設(shè)備的成本。另外，3D打印能在較短時間內(nèi)成形，它讓設(shè)計人員和開發(fā)人員實現(xiàn)了從平面圖到實物的轉(zhuǎn)變，從而縮短產(chǎn)品研發(fā)周期。其和傳統(tǒng)制造的對比如表1所示。

2.2 3D打印技術(shù)發(fā)展

3D打印技術(shù)發(fā)展史可以追溯到1892年，使用層疊成型方法制作地形圖的構(gòu)想首次被提出。1940年，材料學(xué)家提出可以沿等高線輪廓切割硬紙板然后層疊成型制作三維地形圖的方法。1986 年，出現(xiàn)了世界上第一臺商業(yè)的3D打印機(jī)，1992年，美國人赫利塞思發(fā)明層片疊加制造技術(shù)。1993 年，麻省理工學(xué)院獲3D 印刷技術(shù)專利，接著2007年的開源3D打印桌面設(shè)備的問世更是掀起了3D 打印技術(shù)新的發(fā)展高潮。然后2012 年，人類首次利用3D打印制造出活體的人造肝臟組織，并用于代替患者的肝臟。2018年9月美國海軍陸戰(zhàn)隊使用混凝土3D打印機(jī)打印了軍營，2018年9月17日中國的激光增材制造高強(qiáng)高損傷容限鈦合金大型高效能整機(jī)構(gòu)件技術(shù)在世界粉末冶金大會暨展覽會上獲大會產(chǎn)品獎。3D打印在國內(nèi)外的高速發(fā)展和市場規(guī)模都預(yù)示著其將成為改變?nèi)祟愇磥碇圃旆绞降男滦椭圃旒夹g(shù)。

2.3 3D打印技術(shù)分類

目前3D打印的技術(shù)主要分為三種，分別是FDM：融化沉積成型，其主要材料ABS塑料；SLA：光固化成型，其主要材料光敏樹脂；DLP：數(shù)字光處理成型，其主要材料光敏樹脂。

（1）FDM為融化沉積成型，其主要原理是在加熱融化膛中將材料加熱為液態(tài)，使液態(tài)物質(zhì)從給絲頭上被擠出，擠出的材料會快速固化成精密的薄層，覆蓋于已建造的零件之上，并在外界環(huán)境中快速凝固。每完成一層成型，工作臺便會調(diào)整自己的高度，給絲頭繼續(xù)重復(fù)噴絲過程，這樣逐層堆積成一個實體模型。

（2）SLA為光敏樹脂選擇性固化，是采用立體雕刻原理的一種工藝，放在槽中的液態(tài)光敏樹脂，在特定波長的紫外激光束的照耀下，光敏樹脂會快速固化?？梢苿拥墓ぷ髋_處于特定的位置，匯聚后的紫外激光束進(jìn)行掃描，得到該截面形狀的實體薄片。接著，工作臺層層下降，重復(fù)固化光敏樹脂的過程并且置于上一層薄片之上。最后的步驟便是取出工件，進(jìn)行清洗，干燥等處理。

（3）DLP為數(shù)字光投影技術(shù)，與SLA有許多相似之處，但其最大的不同是使用了投影儀的數(shù)字光源，在掃描時比SLA更快。

三種技術(shù)的對比如表2所示，1、2、3分別代表等級，1為最佳。

3 3D打印在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1 手術(shù)規(guī)劃模型

在一般的大型手術(shù)之前，通過CT、核磁共振等手段對于患者的病情進(jìn)行更精確的診斷，得到患者病灶的模型，對于醫(yī)生手術(shù)策劃和執(zhí)行是十分重要的。常規(guī)的手術(shù)影像材料都在2D平面中呈現(xiàn)，如果想要立體的三維數(shù)據(jù)，需要經(jīng)過大量的復(fù)雜計算，不利于快速分析病人的病情。而通過3D打印機(jī)可以將直接制造出相關(guān)所需的三維模型，這樣可以有效幫助醫(yī)生進(jìn)行規(guī)范化的手術(shù)策劃，提高手術(shù)成功率。在術(shù)后，該手術(shù)規(guī)劃模型可以作為證據(jù)，有助于解決醫(yī)患糾紛。[2]

3.2 手術(shù)導(dǎo)板

手術(shù)導(dǎo)板是手術(shù)中的重要器材，主要用于輔助手術(shù)用，例如支撐關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)導(dǎo)板、固定脊柱的脊柱導(dǎo)板、用于口腔手術(shù)的口腔種植導(dǎo)板等。一般情況下，手術(shù)導(dǎo)板需要為特定的病人定制，價格昂貴。通過引入3D打印技術(shù)，可以對病人的需求進(jìn)行分析，從而快速制造出病人所需的手術(shù)導(dǎo)板。這種技術(shù)的運(yùn)用可以有效提高手術(shù)精度并且縮短手術(shù)準(zhǔn)備時間，同時對于遠(yuǎn)程實時手術(shù)的普及具有重要的意義。

3.3 植入物

植入物是醫(yī)療中植入患者體內(nèi)的醫(yī)療器材，運(yùn)用3D打印技術(shù)，技術(shù)人員通過醫(yī)院提供的用X射線、核磁共振、CT等手段獲取的患者信息，再通過電腦CAD軟件，自動生成出患者的植入物模型，將此模型輸入3D打印機(jī)中，采用FDM技術(shù)加工出1：1的生物植入物模型，用于手術(shù)。在實際操作上，醫(yī)生可以借助金屬粉末在激光照射下的融化對植入物進(jìn)行打印，或是使用樹脂材料對植入物進(jìn)行打印[3]。

3.4 康復(fù)醫(yī)療器械

與3D打印航空航天高級零部件和豪華車輛的定制零部件類似，在醫(yī)療領(lǐng)域，消耗最多的往往是用于替換的假牙、假肢以及各種器官，這些器材的設(shè)計十分復(fù)雜，傳統(tǒng)制造模型已經(jīng)不能滿足于個性化的器材生產(chǎn)。類似于植入物和手術(shù)導(dǎo)板，大部分醫(yī)療器械都可以通過3D打印精準(zhǔn)地制造，靈活性更佳。

3.5 牙齒修復(fù)

牙齒修復(fù)和治療的成本是牙科診所需要考慮的重要因素，因此能提升效率、降低成本的數(shù)字化口腔技術(shù)便走進(jìn)了人們的視野。近年來，隨著牙科修復(fù)的發(fā)展趨勢轉(zhuǎn)向借助軟件設(shè)計與個人定制模型，所以很多牙科診所引入了3D打印技術(shù)。結(jié)合了3D打印的數(shù)字化口腔技術(shù)作為現(xiàn)在最新的發(fā)展方向，專注于牙科周邊器材的定制，為傳統(tǒng)的牙科行業(yè)帶來了核心優(yōu)勢，同時也收集與運(yùn)用了大量的患者數(shù)據(jù)。因為沒有像傳統(tǒng)的工作方式一樣完全憑借經(jīng)驗進(jìn)行制造，這種技術(shù)在很大程度上減輕了患者就醫(yī)中的痛苦。[3]在牙科行業(yè)常用到的3D打印技術(shù)主要有：光敏樹脂選擇固化技術(shù)（SLA）、選擇性激光熔化技術(shù)（SLM）、噴墨打印技術(shù)（poly jet），在實際手術(shù)中，需要結(jié)合不同的牙齒部位選擇不同的3D打印材料和技術(shù)。

4 3D打印技術(shù)展望

雖然已經(jīng)有了近幾十年的發(fā)展，但是3D打印技術(shù)目前還存在許多問題，例如主體設(shè)備便攜性差，系統(tǒng)太過復(fù)雜，可維修性較差；3D打印目前主要集中在塑料和復(fù)合材料的制造，強(qiáng)度和耐熱性普遍性較差，不能適應(yīng)復(fù)雜的工作環(huán)境。針對普遍存在的問題，3D打印技術(shù)的未來將有以下發(fā)展趨勢：首先，在3D打印技術(shù)的大方向上應(yīng)深入研究開發(fā)基于激光以外的其他3D打印技術(shù)，如基于電弧3D打印、等離子3D打印技術(shù)，可以有效擴(kuò)展3D打印產(chǎn)品的種類；其次，在3D打印技術(shù)的設(shè)備上應(yīng)加快開發(fā)具有多種類，高精度、設(shè)備便攜型好的3D打印設(shè)備；最后，在3D打印技術(shù)運(yùn)用的過程中可以開發(fā)3D打印視覺系統(tǒng)，通過增加景深和對比度，強(qiáng)化系統(tǒng)的感知能力，從而及時有效地獲取、處理與識別3D打印所使用的粉末與絲材的信息，進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率。[4]

參考文獻(xiàn)

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