基于3D打印技術(shù)在醫(yī)療輔助產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用研究

楊 藝

隨著科學(xué)技術(shù)理念的持續(xù)優(yōu)化，3D打印技術(shù)逐漸從傳統(tǒng)意義上的單一發(fā)展形式，轉(zhuǎn)為向綜合領(lǐng)域前進(jìn)，此時主要用來醫(yī)藥、器官及醫(yī)療輔助工具，如當(dāng)前最常應(yīng)用的手術(shù)夾板、矯形鞋墊等，因此這一技術(shù)在醫(yī)療輔助產(chǎn)品中的研發(fā)前景不可預(yù)估。下面對3D打印技術(shù)在醫(yī)療輔助產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用進(jìn)行研究。

1 3D打印技術(shù)原理

3D打印這一理念最初出現(xiàn)在1990年，屬于一種當(dāng)前應(yīng)用極多的快速成型技術(shù)。而在20世紀(jì)80年代末期，美國3DSystem公司研制出第一款3D打印設(shè)施后，為相應(yīng)技術(shù)發(fā)展提供了有效依據(jù)，雖然與傳統(tǒng)打印機(jī)存在相同點，但卻整合了大量領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)，構(gòu)建了機(jī)電一體化系統(tǒng)，此時不管是設(shè)計軟件，還是打印工藝都在3D打印技術(shù)中占據(jù)重要地位。

由于3D打印技術(shù)中集合了其他領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)，且會引用橡膠類材料、石膏材料等內(nèi)容，所以在實踐工作中，主要是依據(jù)引用多種類型的計算機(jī)軟件，在電腦中構(gòu)建模型本體，而后將構(gòu)成的模型劃分為多個橫截面，最終結(jié)合快速成型機(jī)，對多個橫截面構(gòu)成一個三維立體模型，此時應(yīng)用材料是具備真實性的，最終完成打印工作。

2 3D打印技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢

簡單來說，這一技術(shù)的應(yīng)用魅力在于其不需要進(jìn)入工廠工作，桌面打印機(jī)就可以獲取小物品，且人們能進(jìn)行突破時間和區(qū)域的限制進(jìn)行操作，不管大物品還是小物體，都能滿足應(yīng)用需求。對比傳統(tǒng)發(fā)展引用的技術(shù)理念可知，3D打印技術(shù)在應(yīng)用過程中具有以下幾點優(yōu)勢：

其一，突破傳統(tǒng)意義上的生產(chǎn)線，并控制了成本支出，有效降低了應(yīng)用材料的消耗；其二，制作出傳統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)無法媲美的外形，促使人們能更快設(shè)計出簡單生產(chǎn)制造步驟，以此獲取廉價且高效的應(yīng)用物品；其三，很多設(shè)計會引用金屬和塑料零件，這樣很容易加重物體質(zhì)量，并增加與功能無關(guān)的剩余物，而3D打印技術(shù)可以有效解決這一問題。其引用原材料都是為生產(chǎn)所需的產(chǎn)品，最終有助于產(chǎn)品更加精確和輕盈[1]。

3 3D打印技術(shù)在醫(yī)療輔助產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用

3.1 解學(xué)模型

現(xiàn)階段，引用到醫(yī)學(xué)教學(xué)培訓(xùn)活動張的人體標(biāo)本大都是以捐贈為主，且受傳統(tǒng)文化理念的影響，最終支持和參與的人數(shù)非常好。在這一背景下，勢必會增加實踐教學(xué)培訓(xùn)活動的難度，最終無法保障醫(yī)學(xué)培訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量。通過引用3D打印技術(shù)，科學(xué)整合醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信數(shù)據(jù)，制作出具有極高分辨率的人體樣本，此時不僅能充分展現(xiàn)解剖學(xué)包含的知識，還可以解決當(dāng)前培訓(xùn)實踐問題。例如，通過在脊柱腫瘤模型中引用3D打印技術(shù)，并在臨床教學(xué)中落實，結(jié)合真實病例進(jìn)行教學(xué)指導(dǎo)，不但可以幫助專業(yè)學(xué)生構(gòu)建臨床診斷思維，而且有助于他們更快掌握和應(yīng)用治療技能，這也是當(dāng)前醫(yī)學(xué)院最常引用的現(xiàn)代化教學(xué)技術(shù)。通過在臨床治療中引用3D打印技術(shù)，醫(yī)生不僅能在實體模型中提升手術(shù)的準(zhǔn)確性，還可以對比二維CT圖像進(jìn)行探究，避免其影響臨床效果。同時，在實體模型的引導(dǎo)下，醫(yī)生不但可以更為全面的了解病人情況，并針對手術(shù)預(yù)演，不斷優(yōu)化具體治療方案；而且能為醫(yī)生和病人的溝通提供有效平臺，促使病人及其家屬可以更直觀地理解病情，進(jìn)而調(diào)動他們積極向上、努力配合治療的信念[2]。

3.2 矯正器械

先天性畸形或后天疾病、安全事故帶來的肢體功能障礙，要想可以正常生活，必須要引用矯形器進(jìn)行輔助治療，這樣有助于強(qiáng)化他們的身心健康。通過引用3D打印技術(shù)，優(yōu)化設(shè)計器具，并快速做成病人所需的矯正產(chǎn)品，不但能降低提貨期，而且有助于提升產(chǎn)品引用質(zhì)量和病人應(yīng)用舒適性。以畸形足病人為例，通過引用CT掃描，明確存在缺陷病人的足部數(shù)據(jù)，而后結(jié)合FDM（快速成型加工）工藝設(shè)計相應(yīng)數(shù)據(jù)模型，促使醫(yī)生在控制時間損耗的情況下，有效研究病人畸形足的發(fā)育情況，并以此為基礎(chǔ)科學(xué)設(shè)計和優(yōu)化矯形器，這樣有助于充分預(yù)防最終應(yīng)用矯正器產(chǎn)品與病人發(fā)育產(chǎn)生矛盾[3]。

3.3 骨科植入物

了解當(dāng)前骨科輔助產(chǎn)品設(shè)計情況可知，大部分受損或病變嚴(yán)重的骨組織，必須要通過植入材料實施修復(fù)。由于生產(chǎn)的植入物型號類別存在差異，且會受應(yīng)用病人成長情況的影響，難以展現(xiàn)出一致的應(yīng)用效果，在這一過程中，病人很容易出現(xiàn)植入物與自身匹配度不符的現(xiàn)象，嚴(yán)重的還會增加手術(shù)失敗的風(fēng)險。例如，在進(jìn)行骨缺損個體化修復(fù)工作時，通過引用3D打印技術(shù)設(shè)計如下方案：其一，在CT掃描中，明確病人膝關(guān)節(jié)骨缺損所在位置的醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信數(shù)據(jù)；其二，引用醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信數(shù)據(jù)構(gòu)建三維數(shù)字模型；其三，在模型的引導(dǎo)下，設(shè)計病人所需的修復(fù)骨缺損墊塊；其四，需要引用3D打印技術(shù)獲取墊塊的實體。從本質(zhì)上講，從3D打印技術(shù)中獲取的墊塊與實際臨床學(xué)需求具備相同性，不僅可以完全匹配，還能加強(qiáng)臨床療效的穩(wěn)定性[4]。

又如，在3D打印技術(shù)中針對新型復(fù)合材料，制作個體所需的頸椎見融合器，最終打印精確度可以達(dá)到百分之九十五以上，且最終應(yīng)用的匹配性能非常高。通過將3D打印技術(shù)和醫(yī)學(xué)掃描工作整合到一起，不但可以滿足不同類型病人提出的要求，而且可以提升植入物的修復(fù)水平。同時，作為現(xiàn)代化發(fā)展和推廣的優(yōu)質(zhì)制造技術(shù)，3D打印技術(shù)與計算機(jī)輔助技術(shù)、三維表面成像等內(nèi)容的整合推廣，對解決小耳癥病人具有積極作用，不僅可以為他們提供定制的耳框架，且可以得到病人的認(rèn)可[5]。

3.4 組織工程支架

從本質(zhì)上講，組織工程作為一門融合細(xì)胞生物學(xué)和材料科學(xué)的內(nèi)容，在實踐應(yīng)用中主要用來解決人體組織功能障礙，因此在現(xiàn)如今社會環(huán)境中屬于一個新興學(xué)科。3D打印技術(shù)的引用，為其提供了充足的技術(shù)保障。以創(chuàng)傷性周圍神經(jīng)損傷易殃及重要神經(jīng)功能為例，其作為影響病人正常生活的主要臨床問題，當(dāng)前最常引用的解決方法就是移植自體神經(jīng)。若是神經(jīng)結(jié)構(gòu)存在差異，其最終展現(xiàn)出的有限性、再生效果等都將會出現(xiàn)改變，因此這也是現(xiàn)如今人工神經(jīng)支架探索的主要方向。以3D打印技術(shù)為核心，制作出多孔結(jié)構(gòu)納米仿生支架，不僅能優(yōu)化初級皮層神經(jīng)元的均衡神經(jīng)突長度，還能在過大孔隙度的引導(dǎo)下，提升神經(jīng)細(xì)胞的粘附性。由此可知，3D技術(shù)在我國醫(yī)療人工神經(jīng)支架中的研究，及神經(jīng)功能修復(fù)工作中占據(jù)重要地位[6]。

3.5 制藥業(yè)

通過3D打印成形技術(shù)制備藥物緩釋裝置，與傳統(tǒng)壓片方法相比具有獨特的優(yōu)勢。3D打印可以實現(xiàn)多種材料精確成形和局部微細(xì)控制，得到具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的裝置；釋藥特征與所設(shè)想的復(fù)雜釋藥行為一致。通過3D打印成形技術(shù)，將粉末材料粘結(jié)成形，可以方便的實現(xiàn)醫(yī)學(xué)應(yīng)用中常需要的具有復(fù)雜型腔的多孔結(jié)構(gòu)，對于藥物釋放有著重要意義。并通過調(diào)整打印液流速、噴頭移動速度、打印液液滴直徑、粉末鋪層厚度、噴涂次數(shù)、噴涂角度、噴涂位置等工藝參數(shù)，可以改變藥劑中含量、輔料成分和組成，從而改變藥物釋放速率和釋放量，使得具體的生產(chǎn)過程靈活而簡單，通過CAD（計算機(jī)輔助設(shè)計）為單個患者設(shè)計制造理想化的治療方式成為可能。

4 結(jié)束語

綜上所述，3D打印技術(shù)的發(fā)展會受多種因素的影響，因此現(xiàn)階段提出和引用的3D打印技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到預(yù)期醫(yī)療行業(yè)提出的高端需求，這就要求醫(yī)療輔助產(chǎn)品研究人員在整合以往工作經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，加大對技術(shù)的應(yīng)用分析，促使其在實踐應(yīng)用中得到更多關(guān)注，并為醫(yī)療行業(yè)的持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)保障。