基于3D打印技術的醫(yī)療產(chǎn)品設計應用與研究

袁云帆 古蔚博 唐衛(wèi)東

（1.南華大學松霖設計藝術學院，湖南 衡陽421001；2.南華大學附屬南華醫(yī)院，湖南 衡陽421001）

0 前言

3D打印技術是一項顛覆性的技術革新，在全球引發(fā)了科技技術革新的狂潮。全球的制造業(yè)因為這項技術而發(fā)生質(zhì)的改變。3D打印技術作為一種新型制造技術，在各個領域都有廣泛應用，尤其是在醫(yī)療設備設計方面。因此在實際工作中需要充分利用3D打印技術來優(yōu)化產(chǎn)品的生產(chǎn)模式，轉(zhuǎn)變以往工作中的局限之處，貫徹落實個性化和人性化的工作理念。

1 3 D打印成型技術特點

3D打印技術區(qū)別于傳統(tǒng)醫(yī)療設備設計技術的突出優(yōu)勢就是對傳統(tǒng)局限性的突破，在成本上也有一定的優(yōu)勢，能夠有效降低成本，低成本能夠使更多的人在治療上獲益。因為3D打印技術的成型方式是疊加的，因此，該項技術具有別的打印機技術所不具備的優(yōu)勢，即不需要關心生產(chǎn)方式的局限性，只需要關注設計物品本身的空間感，以及空間層次感。這種技術上的突破不僅能夠使醫(yī)療產(chǎn)品的設計具有現(xiàn)代科技的先進性，同時促使設計師在設計思維上也有很大的突破。3D打印具有以下特點。

1.1 個性化

3D打印技術的最大優(yōu)勢就在于輸出產(chǎn)品的個性化，每一件產(chǎn)品都帶有個人氣息，客戶可以根據(jù)自身的需要進行個性化定制。尤其是對于醫(yī)療產(chǎn)品來說，每一位患者的需求不同，因此，可以依據(jù)病情和實際需要為患者定制個性化產(chǎn)品。

1.2 效率高

在技術應用的過程中能夠解決以往傳統(tǒng)制造中的問題，例如，在機械加工和零件配備方面的矛盾，通過3D打印技術能夠完成一體化的成型，減少不必要的時間，尤其是在面對一些復雜產(chǎn)品的生產(chǎn)時優(yōu)勢是非常突出的。另外，在應用時還可以根據(jù)實際需求進行打印，按照就近的原則，避免出現(xiàn)資源浪費的問題。

1.3 成本低

3D打印技術有著傳統(tǒng)打印技術所不具備的成本優(yōu)勢，采用的材料是粉末狀的基礎制造材料，這樣的打印方式可以減少很多原材料的浪費，材料利用率高。

同時在運輸上更加方便，能夠有效節(jié)約運輸成本。

2 基于3 D打印技術的產(chǎn)品設計方法

2.1 用戶需求深入化

在技術投入使用之前，數(shù)據(jù)上要盡可能的完備，因此前期調(diào)研是關鍵，基于產(chǎn)品的基本特性與用戶需求是產(chǎn)品應用的最終目的。首先確定問題、分析原因并確定用戶的實際需求。在搜索過程中，設計人員需要盡可能優(yōu)化遇到的問題，并為每個較小的問題制定設計要求[1]。

2.2 產(chǎn)品功能定制化

在產(chǎn)品功能定制化方面，要貫徹落實人性化的原則，多方面地關注用戶對于設計的需要，也可以按照單獨用戶的需求進行定制，將客戶的理念放在首要的位置。例如，利用3D打印技術能夠有效解決長期臥床病人生褥瘡的問題，但是，該項方案并不適用所有的住院病人，具有病情特殊性。因此，在產(chǎn)品功能定位中，要更具有針對性，才能更快、更好地解決用戶問題。

2.3 使用方式多樣化

3D打印技術在日常運用的過程中能夠轉(zhuǎn)變以往設計的局限性，通過增加工藝的思維提高后續(xù)設計的效果，同時還可以實現(xiàn)設計人員工作模式的全面轉(zhuǎn)變，充分的發(fā)揮3D打印技術的優(yōu)勢，使設計人員能夠在產(chǎn)品的早期階段獨立思考，測試滿足其功能的多種產(chǎn)品使用模式，并選擇最方便、最經(jīng)濟的解決方案，而無須考慮傳統(tǒng)的生產(chǎn)流程、研發(fā)成本和產(chǎn)品質(zhì)量[2]。

3 3D打印技術的醫(yī)療產(chǎn)品設計應用

3.1 個性化定制人工骨骼

個體在骨骼方面的差異是非常突出的，個體人工骨在臨床應用中尤為需要。比如，比利時哈塞特大學的BIOMED研究所為患者打印并移植了下頜激光3D打印技術[3]。采用數(shù)字設計內(nèi)固定方案在三維模型上打印斷裂模型和鋼板模型，結(jié)果表明，結(jié)合數(shù)字化的3D打印技術，能夠為臨床骨折的治療提供全面的幫助，如可以提高骨折的固定效果。一些特殊的骨折部位不能用一般修復產(chǎn)品來治療，而3D打印產(chǎn)品則提供了根據(jù)患者特點的有效解決方案。另外，3D打印技術還能夠打印與嫁接相集成的仿生骨微孔結(jié)構(gòu)，有利于人體骨的生長。

3.2 人造器官

3D打印人工器官打印機分為三類：噴墨人工器官打印、微擠壓人工器官打印和激光輔助人工器官打印。這三種類型的打印機在打印再生組織和器官方面各有優(yōu)缺點。在2019年5月，《科學》雜志封面報道，在美國的華盛頓大學研究團隊中，通過水凝膠3D打印出的肺模型，能夠和人們的血管和氣管進行相互的匹配，構(gòu)建相同的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)能夠像肺一樣朝著周邊血管輸送氧氣，完成“呼吸”過程。

3.3 醫(yī)療器械

金屬3D打印技術是醫(yī)療器械的一場創(chuàng)造性技術“革命”，該技術在醫(yī)療器械領域的潛力已經(jīng)超過傳統(tǒng)意義上的機械制造。如在膝關節(jié)前交叉韌帶損傷修復手術中，如要保證手術的精準和微創(chuàng)，醫(yī)生需要借助一種精密而特殊的手術工具，制造這種工具的鎳—鉻—鐵合金是一種難加工材料，使用傳統(tǒng)的機加工方式制造該手術工具難度很高，而且所花費的時間長、成本高。這種情況下，使用3D打印技術進行制造則更為適合。

3.4 藥物個性化制作

在傳統(tǒng)醫(yī)藥行業(yè)發(fā)展的過程中，在微觀控制方面的調(diào)節(jié)能力并不是那么的突出，產(chǎn)品中藥和重要的輔料是通過混合和包衣的方式進行操作的，因此，在這樣的技術背景下，難以設計復雜的制劑形態(tài)。藥物的3D打印便于藥物的個性化設計，目前的藥量已經(jīng)標準化，很多患者需要打破片劑來獲得所需的量，因此標準化的藥量不能滿足所有患者的需要。在技術應用的過程中，可以通過修改尺寸和填充率來滿足劑量方面的標準，醫(yī)師可以根據(jù)患者的各種信息來確定最佳的劑量，提高最終的治愈率[4]。

4 3D打印技術在醫(yī)療產(chǎn)品設計上的發(fā)展趨勢

據(jù)統(tǒng)計，2017年，全球醫(yī)療器械行業(yè)的市場規(guī)模將超過4 000億美元，并將繼續(xù)穩(wěn)步增長。同年，中國醫(yī)療器械行業(yè)市場規(guī)模達到774億美元，占當年全球市場規(guī)模的19.2%。與國外相比，中國3D打印行業(yè)正處于快速發(fā)展時期，市場潛力巨大。隨著個性化醫(yī)療的發(fā)展和國家醫(yī)療保險政策的實施，對3D打印產(chǎn)品的需求將急劇增加。

5 結(jié)語

隨著3D打印技術的發(fā)展，其應用領域越來越廣泛。3D打印的高復原和高精度數(shù)字化功能在各個行業(yè)都很受歡迎。3D打印技術將3D設計模型直接轉(zhuǎn)換為現(xiàn)實產(chǎn)品，與傳統(tǒng)的制造方式相比，更適合制作少量定制化的產(chǎn)品和復雜形狀的產(chǎn)品。由于人體的個體差異，手術指南、醫(yī)療植入物、假牙等醫(yī)療器械對個性化定制的要求很高。因此，“個性化”“人性化”為3D打印技術與醫(yī)療行業(yè)搭建了深度結(jié)合的橋梁。