3D打印技術(shù)在新型冠狀病毒肺炎防治物資中的應(yīng)用進展

張 杰

（解放軍總醫(yī)院醫(yī)療保障中心醫(yī)學(xué)工程科，北京 100048）

0 引言

從被發(fā)現(xiàn)以及隨后被世界衛(wèi)生組織宣布為全球大流行以來，新型冠狀病毒肺炎（以下簡稱“新冠肺炎”）已經(jīng)導(dǎo)致全世界超過2 400萬人感染，80萬人死亡，分布于世界216個國家和地區(qū)；其中中國感染人數(shù)超過8萬，死亡人數(shù)超過4 000（截止到2020年8月30日）[1]。新冠肺炎暴發(fā)迅速并且傳染性強，導(dǎo)致個人防護裝備、病毒檢測工具等醫(yī)療物資迅速消耗，同時新冠肺炎流行又進一步阻礙了醫(yī)療物資的生產(chǎn)和運輸，導(dǎo)致這類醫(yī)療物資緊缺[2]，增加了預(yù)防控制和醫(yī)療救治的困難。如何利用新技術(shù)、新方法解決醫(yī)療物資緊缺的難題，成為當(dāng)下的熱點研究問題。

3D打印能夠根據(jù)計算機三維模型，通過材料層層堆積的方式直接構(gòu)建實體目標(biāo)，不需要使用與構(gòu)建目標(biāo)相關(guān)的加工工具即可實現(xiàn)復(fù)雜形狀目標(biāo)的靈活制造。由于3D打印技術(shù)相對傳統(tǒng)制造方法的獨特優(yōu)勢，近幾年來其在醫(yī)療、教育、工藝品制造等不同領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展迅速。在醫(yī)療領(lǐng)域，3D打印被用于構(gòu)建解剖學(xué)教學(xué)模型[3]、醫(yī)學(xué)實驗裝置[4]、輔助手術(shù)模型[5]、醫(yī)療設(shè)備組件[6-7]等，很多醫(yī)療和科研機構(gòu)部署了3D打印設(shè)備。同時由于價格的下降，個人桌面3D打印設(shè)備也逐漸得到普及。面對疫情大流行，轉(zhuǎn)換其他用途的3D打印設(shè)備，用以生產(chǎn)抗擊新冠肺炎的醫(yī)療物資，有望實現(xiàn)該類物資的大范圍分布式生產(chǎn)，從而為緩解醫(yī)療物資緊缺問題提供一種新的解決方案。

3D打印的步驟主要包括計算機三維模型的構(gòu)建、打印方式和打印材料的選擇、模型的打印與后處理、模型性能的測試與評估。人體組織的三維形狀獲取方法主要有醫(yī)學(xué)斷層成像和三維掃描，醫(yī)療設(shè)備外形通常采用掃描或者常規(guī)工程測量方法獲得，除了利用原始數(shù)據(jù)采集和模型設(shè)計構(gòu)建三維模型，還能通過從3D打印網(wǎng)絡(luò)社區(qū)下載獲取模型。打印方式根據(jù)實現(xiàn)技術(shù)的不同分為很多種，在醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用較多的主要有熔融沉積成型、光固化成型和選擇性激光燒結(jié)等，每種打印方法均有其優(yōu)缺點，根據(jù)打印目標(biāo)要求進行選擇即可。模型打印完成之后通常要進行后處理，比如去除支撐材料、組件裝配等。對于應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域的新模型，在打印完成之后還需要對模型進行測試，包含機械性能、穩(wěn)定性和生物相容性等。

利用3D打印技術(shù)構(gòu)建新冠肺炎防治物資，從個人防護裝備、病毒檢測工具到臨床治療設(shè)備組件等，在新冠肺炎暴發(fā)幾個月以來已經(jīng)取得一定的成效。為了促進3D打印技術(shù)更好地服務(wù)于新冠肺炎的防治，本文對這類成果進行總結(jié)，對各類模型的優(yōu)勢和存在的問題進行綜述，對打印方式、打印材料和打印參數(shù)等問題進行分析，并指出該領(lǐng)域下一步的重點研究方向。

1 口罩和防護面罩等個人防護裝備的3D打印

由于經(jīng)呼吸道飛沫和密切接觸是新型冠狀病毒的主要傳播途徑[8]，口罩和防護面罩等防護裝備能夠切斷人與人之間的傳播路徑，阻止病毒傳播、蔓延，所以在風(fēng)險區(qū)佩戴個人防護裝備是防止感染的關(guān)鍵。特別是對于醫(yī)療機構(gòu)中治療新冠肺炎的醫(yī)務(wù)人員，醫(yī)用防護口罩和面罩是必要的防護裝備。新冠肺炎疫情的暴發(fā)導(dǎo)致醫(yī)用防護裝備緊缺，同時由于新冠肺炎大流行后引起的公眾恐慌，公眾占用了部分用于專業(yè)醫(yī)療機構(gòu)的防護裝備，進一步加劇了醫(yī)院個人防護裝備的緊張程度，給新冠肺炎的有效診療帶來了困難。

為了緩解口罩供給的不足，研究人員提出了幾種口罩的3D打印方案，主要可以分為兩類：一類是平面打印方案[9]，如圖1（a）所示。平面打印方案是先打印口罩平面結(jié)構(gòu)，然后進行縫合形成立體結(jié)構(gòu)。這種打印方案模型簡單、耗費打印材料少，缺點是必須使用軟性打印材料，否則口罩與面部不容易貼合，而且這類口罩只能用于日常普通防護。另一種是立體打印方案[10]，如圖1（b）所示。立體打印方案模型更復(fù)雜，且通過模型設(shè)計能夠保證與使用者面部更好的貼合。

為降低醫(yī)療機構(gòu)內(nèi)部的感染風(fēng)險，院內(nèi)感控部門一般推薦新冠肺炎防治醫(yī)護人員佩戴N95口罩，一方面，N95口罩使用的材料能夠保證過濾空氣中的微塵顆粒；另一方面，N95口罩能夠與使用者面部有更好的貼合度，避免微塵通過面部與口罩之間的空隙進入人體。為了提高口罩針對不同個體的貼合程度，研究人員進一步提出了利用3D打印構(gòu)建個體面部形狀一致的壓條[11]，通過三維激光掃描和三維重建獲取人體面部形狀，經(jīng)過計算機三維設(shè)計得到輔助配件的形狀，然后進行模型打印。定制化壓條的使用能夠取得比普通商業(yè)N95口罩更好的效果。另外，O'Connor等[12]為了解決口罩佩戴時耳后持續(xù)受壓導(dǎo)致不舒適的問題，設(shè)計并打印了輔助配件，測試結(jié)果表明使用輔助配件能夠顯著提高口罩佩戴的舒適性。

防護面罩是另一類防疫一線人員必須裝備的防護用具[13]，通常使用幾種塑料材料制造。利用3D打印構(gòu)建雙層半圓形的骨架結(jié)構(gòu)，然后與透明的硬質(zhì)塑料進行組裝，最后在骨架上連接彈力繃帶，即形成完整的防護面罩[14-15]，如圖1（c）所示。實驗表明，3D打印的防護面罩在功能上完全能夠滿足臨床醫(yī)務(wù)人員的使用需求[16]。除了防護面罩，3D打印還能夠制造防護眼罩。在框架打印完成后嵌入鏡片，結(jié)合彈力帶即可組裝形成防護眼罩[17]，如圖1（d）所示。

圖1 3D打印的個人防護裝備

3D打印不僅能夠?qū)崿F(xiàn)個人防護裝備的打印制造，還能夠改造其他用途裝備，使其能夠用于疫情期間醫(yī)務(wù)人員的防護。Erickson等[18]和Nicholson等[19]分別提出了頭盔改進方案（如圖2所示），對其他用途的頭盔進行改進，增加空氣過濾系統(tǒng)，使其能夠用于新冠肺炎護理過程中的防護。利用3D打印構(gòu)建連接部件，結(jié)合具有微塵過濾功能的織物材料，即可實現(xiàn)普通頭盔到防護頭盔的轉(zhuǎn)變。

在打印技術(shù)上，個人防護裝備主要采用熔融沉積成型3D打印，這種技術(shù)最大的優(yōu)點是設(shè)備分布廣泛、成本低、使用方便，同時打印精度能夠滿足構(gòu)建個人防護裝備的需求。在打印材料方面，推薦使用聚乳酸（polylactic acid，PLA），因為其具有良好的生物相容性，能夠與人體直接接觸。在打印參數(shù)方面，一般選擇層厚為0.2 mm，填充率為10%～30%。在構(gòu)建效率方面，單臺打印機生產(chǎn)效率較低，在條件允許的情況下推薦使用多臺打印機同時作業(yè)以提高產(chǎn)量。

圖2 通過3D打印改造普通頭盔為防護裝備

2 鼻咽拭子等病毒檢測工具的3D打印

隨著新冠肺炎感染人數(shù)的增加，更多的密切接觸者和疑似感染者需要進行病毒檢測。鼻咽拭子是新冠肺炎檢測過程中用于樣本采集的工具，檢測人數(shù)的暴增造成了部分醫(yī)療機構(gòu)鼻咽拭子的短缺，需要新的供給渠道。

為了緩解鼻咽拭子供應(yīng)的壓力，減少物資從生產(chǎn)機構(gòu)到使用機構(gòu)的運輸需求，很多研究人員提出了利用3D打印實現(xiàn)鼻咽拭子的分布式制造的方法[20-21]。鼻咽拭子形狀相對簡單，模型的設(shè)計和打印不存在太大的困難。為了使3D打印的鼻咽拭子獲得最佳的效果，Callahan等[22]對來自24個公司的48種材料打印的160個樣本進行多個臨床前的評估和測試（如圖3所示），包括模型的尺寸、表面特性、機械性能、病毒收集能力和聚合酶鏈反應(yīng)的兼容性等。測試結(jié)果表明，3D打印的鼻咽拭子能夠滿足新冠肺炎病毒采集的性能要求。

圖3 3D打印的鼻咽拭子與商業(yè)購買的鼻咽拭子的對比與測試[22]

為了進一步評估3D打印的鼻咽拭子的安全性，研究人員進行了現(xiàn)場對比測試[23]，考察3D打印和商業(yè)購買的鼻咽拭子可能導(dǎo)致人體不良反應(yīng)的情況。結(jié)果表明，除了鼻部不適的比例略高，在鼻出血、頭痛、耳痛和鼻漏4項指標(biāo)上3D打印鼻咽拭子的性能均優(yōu)于商業(yè)購買的樣本。該研究進一步說明3D打印鼻咽拭子的安全性能夠滿足樣本采集的要求。

在病毒檢測工具方面，除了鼻咽拭子，研究人員還提出利用3D打印構(gòu)建用于病毒檢測的培養(yǎng)箱[24]，通過與快速檢測方法相結(jié)合，顯著提高了核酸檢測的效率。

相比個人防護裝備的打印主要使用熔融沉積成型，鼻咽拭子的打印更多使用設(shè)備和材料成本更高的光固化成型。鼻咽拭子單體體積更小，所需材料較少，并且小體積的物體對于熔融沉積成型較為困難。光固化成型的不足是打印設(shè)備分布沒有熔融沉積廣泛，故限制了其大范圍的推廣。為此，美國密歇根理工大學(xué)的Gallup等[25]設(shè)計了開源式分布制造方案，包括利用開源硬件組裝光固化3D打印硬件平臺和參數(shù)化鼻咽拭子三維模型，該團隊設(shè)計的參數(shù)化鼻咽拭子模型相比其他模型更加有利于使用小型的光固化3D打印機進行制造，能夠提高材料的利用效率。

3 輔助呼吸裝置等臨床救治設(shè)備的3D打印

新冠肺炎重癥和危重癥患者呼吸功能受損，呼吸機的支持對于挽救患者生命至關(guān)重要。隨著入院重癥患者數(shù)量的增加，醫(yī)院的呼吸機配置難以滿足臨床救治需求，成為醫(yī)療救治過程中的一個瓶頸。3D打印技術(shù)能夠通過兩類方法緩解呼吸機緊張的局面：一是構(gòu)建輔助裝置提高現(xiàn)有呼吸機的使用效率；二是制造新的呼吸裝置。

早在2006年就有研究人員提出能夠利用一臺重癥監(jiān)護呼吸機同時為多位患者提供呼吸支持，并通過實驗證明了其有效性[26]。但是醫(yī)療機構(gòu)通常沒有分流裝置。3D打印技術(shù)為解決這個難題提供了有效的方法。面對疫情暴發(fā)時呼吸機需求急劇增加的情況，多個研究團體提出了利用3D打印制造呼吸機分流裝置[27-28]，如圖 4（a）所示。其中 Ayy|ld|z等[27]設(shè)計并打印制造了兩通道和四通道模型，模型打印完成之后進行通氣實驗，結(jié)果表明呼吸機使用分配管道后能夠穩(wěn)定為2個通道提供氣源，為鼻氧治療不足且主要需要無創(chuàng)機械通氣的清醒患者提供輔助呼吸支持。

Faryami等[29]根據(jù)臨床上對新冠肺炎治療的觀察，提出了一種簡易的開源3D打印輔助呼吸裝置。其原理是通過改變3個相互連接的容器的靜水壓力實現(xiàn)氣體流通。使用電動機作為動力，其他主要部件通過3D打印制造。該輔助呼吸裝置能夠?qū)粑?、容量和壓力進行調(diào)節(jié)。與此同時，西班牙的多個不同領(lǐng)域研究機構(gòu)[30]合作開發(fā)了一種工業(yè)化的3D打印呼吸裝置[如圖4（b）所示]，在保證功能的同時盡量減少和簡化組件，以開發(fā)出簡潔實用的醫(yī)療設(shè)備，以便于結(jié)合3D打印進行制造。該裝置的主體結(jié)構(gòu)為一個機械式氣囊閥面罩，實驗表明能夠用于新冠肺炎患者的短期緊急通氣。

圖4 3D打印呼吸機配件及呼吸裝置

相比個人防護裝備和檢測工具，呼吸裝置更為復(fù)雜，且直接作用于臨床患者，因此對3D打印呼吸機的安全性、可靠性等方面的要求應(yīng)該更為嚴(yán)格。為了構(gòu)建功能更為完整的呼吸機，還需要綜合多項技術(shù)，如電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、自動控制技術(shù)等，從而為新冠肺炎患者提供更為完整的呼吸支持。對于醫(yī)療設(shè)備的打印，模型的精度和表面粗糙度需要滿足設(shè)計和裝配要求，因此在參數(shù)選擇方面要保證較高的打印精度，同時采用機械性能更好的打印材料，如尼龍或者金屬等。

4 結(jié)語

3D打印技術(shù)基于計算機三維模型直接制造復(fù)雜形狀目標(biāo)，相比傳統(tǒng)制造方法，能夠更好地實現(xiàn)物資應(yīng)急生產(chǎn)。近年來，3D打印設(shè)備在醫(yī)療機構(gòu)的大量部署以及個人桌面3D打印設(shè)備的普及使得大范圍分布式制造成為可能。面對新冠肺炎疫情暴發(fā)后醫(yī)療物資緊缺的現(xiàn)狀，從個人防護裝備、病毒檢測工具到呼吸裝置，3D打印提供了傳統(tǒng)工業(yè)制造之外的新途徑，能夠?qū)崿F(xiàn)部分醫(yī)療物資的應(yīng)急生產(chǎn)。

3D打印的過程包括模型的獲取、打印材料的選擇、打印參數(shù)的設(shè)置及模型的后處理等。成功的打印需要關(guān)注所有的步驟。在模型獲取方面，雖然國外很多研究人員對模型進行了分享，但針對歐美設(shè)計的模型直接應(yīng)用于國內(nèi)可能存在一定的誤差。在打印材料方面，應(yīng)根據(jù)任務(wù)需求選擇合適的材料，雖然沒有經(jīng)過監(jiān)管部門認(rèn)證，但一般認(rèn)為PLA是可以與人體接觸的打印材料，而丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（acrylonitrile butadiene styrene，ABS）則可能存在潛在的毒性。打印參數(shù)的選擇要考慮打印精度與打印時間的平衡，如果沒有特別的需求或者更優(yōu)的方案，一般選擇打印設(shè)備供應(yīng)商推薦的優(yōu)化參數(shù)。模型的后處理通常采用物理方法，避免采用化學(xué)方法，防止引入有毒物質(zhì)。

雖然3D打印具有諸多優(yōu)點，但其在醫(yī)療物資生產(chǎn)方面也有一些不足，主要體現(xiàn)在2個方面：一是生產(chǎn)效率較低，例如打印一個口罩外殼需要2～4 h。因此在其他性能不降低的前提下，如何提高打印速度是一個值得關(guān)注的問題。二是打印材料有限，功能性材料缺乏。雖然3D打印在制造微孔結(jié)構(gòu)零件方面有很大的優(yōu)勢，但制造口罩濾網(wǎng)還存在困難。通過材料與設(shè)計的結(jié)合，實現(xiàn)更多功能性部件的制造，將會使3D打印更好地發(fā)揮作用。另外，除了打印構(gòu)建過程，醫(yī)療物資作為醫(yī)療設(shè)備或材料應(yīng)用于人體之前還需要進行全面的測試。作為一種分布式制造方法，即使某類打印部件的功能和安全性得到了充分的測試，如何保證不同機構(gòu)或個人打印的部件的一致性，是影響3D打印部件在醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用推廣的關(guān)鍵。因此，3D打印機構(gòu)和醫(yī)療設(shè)備監(jiān)管部門合作，對于不同類別的3D打印醫(yī)療物資，制定更為具體統(tǒng)一的打印和檢測標(biāo)準(zhǔn)，將會更好地促進3D打印在新冠肺炎防治中的應(yīng)用，進而為解決疫情下醫(yī)療物資短缺問題提供傳統(tǒng)方法之外的替代性方案。