3D打印在醫(yī)療器械領(lǐng)域應(yīng)用前景分析

李佳憶 李君濤

3D打?。ㄓ址Q“增材制造”）技術(shù)，是20世紀(jì)80年代末期產(chǎn)生并發(fā)展起來(lái)的一種區(qū)別于傳統(tǒng)減材制造技術(shù)的先進(jìn)數(shù)字化制造技術(shù)，被視為“第四次工業(yè)革命”的支撐技術(shù)之一。常用于模具制造、工業(yè)設(shè)計(jì)模型等，后來(lái)逐步擴(kuò)展到航空航天、建筑、汽車制造和醫(yī)療器械等領(lǐng)域。本文就3D打印在醫(yī)療器械領(lǐng)域的應(yīng)用及其前景進(jìn)行分析。

1 3D打印的發(fā)展歷程

3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，最早要追溯至20世紀(jì)80年代美國(guó)科學(xué)家查爾斯·胡爾（Charles W.Hull或Chunk Hull）發(fā)明的立體光固化（SLA）技術(shù)。1986年，Charles Hull發(fā)布了全球第一款商用3D打印機(jī)，開啟了3D打印技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。但由于當(dāng)時(shí)技術(shù)還不成熟，在之后的近20年中，3D打印技術(shù)只能制造一些強(qiáng)度低、精度差的產(chǎn)品模型，因此人們對(duì)其產(chǎn)生懷疑，致使3D打印產(chǎn)業(yè)一直未能發(fā)展起來(lái)。2008年，熔融擠出沉積（FDM）3D打印技術(shù)專利到期，英國(guó)巴恩大學(xué)的艾德里安·鮑耶（Adrian Bowyer）等人隨即發(fā)布3D打印開源項(xiàng)目RepRap1.0。至此，3D打印產(chǎn)業(yè)借助高性能的計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)重新進(jìn)入了高速發(fā)展階段。其中表1是國(guó)際上在3D打印領(lǐng)域的重要里程碑事件。我國(guó)從20世紀(jì)80年代開始啟動(dòng)增材制造技術(shù)研究，經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，中國(guó)的3D打印技術(shù)發(fā)展總體與國(guó)際同步，特別是2015年后，為加快推進(jìn)我國(guó)增材制造產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展，國(guó)家工業(yè)和信息化部、國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、財(cái)政部聯(lián)合發(fā)布了《國(guó)家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃（2015—2016年）》，使得我國(guó)的3D打印產(chǎn)業(yè)得到蓬勃發(fā)展。表2是中國(guó)在3D打印領(lǐng)域的重要里程碑事件。

2 3D打印的分類

傳統(tǒng)的機(jī)加工是在做“減法”，即通過(guò)車、銑、磨、鏜、鉆等切削工藝將物料上不需要的部分去掉，但存在著“伸不進(jìn)、夠不著”的問(wèn)題，因此不能加工復(fù)雜的中空形狀，而且切削掉的物料最終被浪費(fèi)。3D打印能有效解決上述問(wèn)題，并在大幅度減少工裝、夾具的情況下，縮減模具加工時(shí)間，從而縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期。

在非技術(shù)領(lǐng)域，對(duì)于3D打印的產(chǎn)品有特別性能要求時(shí)，相應(yīng)的工藝則稱之為“增材制造”。ISO/ASTM 52900根據(jù)材料堆積原理將3D打印技術(shù)分為7大類，分別是液態(tài)樹脂光聚合、材料擠出、材料噴射、黏合劑噴射、薄膜疊層、粉末床熔融、直接能量沉積。

3D打印設(shè)備分為工業(yè)級(jí)和桌面級(jí)：其中在工業(yè)級(jí)3D打印機(jī)行業(yè)，3D Systems和Stratasys這2家美國(guó)企業(yè)左右著整個(gè)行業(yè)的發(fā)展軌跡。3D Systems公司是光固化成型（SLA）技術(shù)的鼻祖，擁有全彩三維打印成型（3DP）打印技術(shù)專利。Stratasys公司是熔融沉積成型（FDM）技術(shù)的鼻祖，其專利PolyJet技術(shù)的精細(xì)度高、可多種材料同時(shí)混合打印。在桌面級(jí)3D打印機(jī)領(lǐng)域，最具代表性的企業(yè)是Ultimaker和MakerBot。目前市場(chǎng)上銷售的的桌面級(jí)3D打印機(jī)大部分都是源自RepRap開源項(xiàng)目，除上述2家的3D打印機(jī)之外，全球桌面級(jí)3D打印機(jī)銷量比較好的品牌還包括：3D Systems的Cube系列，美國(guó)Aleph Objects公司的LulzBot系列等。

3 3D打印在醫(yī)療器械領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

3D打印作為一項(xiàng)潛在的醫(yī)療支持技術(shù)，日漸成為引領(lǐng)臨床醫(yī)學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，受到醫(yī)學(xué)界的廣泛關(guān)注。3D打印技術(shù)的醫(yī)學(xué)應(yīng)用前景廣泛，尤其是在人體結(jié)構(gòu)的三維宏觀幾何輪廓及內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)較為關(guān)注的領(lǐng)域，它能提供醫(yī)學(xué)影像無(wú)法比擬的三維實(shí)體，有助于實(shí)現(xiàn)特定專科所需的個(gè)體化、精準(zhǔn)化治療。此外，3D打印技術(shù)在手術(shù)前的科學(xué)規(guī)劃、手術(shù)器械、康復(fù)器械與內(nèi)植物的制備、醫(yī)患溝通、醫(yī)學(xué)教育等諸多方面也有望發(fā)揮無(wú)可替代的重要作用。目前，世界許多國(guó)家都將醫(yī)用3D打印技術(shù)作為推動(dòng)本國(guó)醫(yī)學(xué)發(fā)展的重要?jiǎng)恿?，而進(jìn)行積極投入，并獲得許多重要成果。

3.1 3D打印口腔植入物

近幾年，口腔醫(yī)療行業(yè)呈現(xiàn)出數(shù)字化發(fā)展趨勢(shì)?？谇粩?shù)字化醫(yī)療技術(shù)和材料國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室總工程師王勇教授提到：自2015年起，我國(guó)進(jìn)入了“數(shù)字化口腔年”。對(duì)于口腔正畸學(xué)來(lái)說(shuō)，也面臨著數(shù)字化革命的沖擊，特別是三維數(shù)字成像、手術(shù)模擬在口腔正畸診斷、設(shè)計(jì)、治療和療效預(yù)測(cè)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。隨著Ormco公司推出InsigniaTM個(gè)性定制數(shù)字化固定矯治器的出現(xiàn)，開啟了“精準(zhǔn)正畸·簡(jiǎn)時(shí)代”。InsigniaTM個(gè)性定制數(shù)字化固定矯治器通過(guò)采集80萬(wàn)～100萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)精確分析患者牙齒形態(tài)、牙列特點(diǎn)及咬合情況，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、3D打印個(gè)性化托槽、弓絲（均是固定矯治器的重要組成部件），利用全透明定位夾引導(dǎo)間接粘接托槽技術(shù)，可視化視頻界面，與患者溝通牙齒移動(dòng)方案，結(jié)合醫(yī)生豐富臨床經(jīng)驗(yàn)，保證精準(zhǔn)的正畸診療方案及最優(yōu)矯治結(jié)果。

在正畸治療方面，3D打印技術(shù)的應(yīng)用主要包括：舌側(cè)矯正器，采用選區(qū)激光熔化技術(shù)（SLM），選區(qū)激光熔化金屬3D打印的舌側(cè)矯正器，與熔模鑄造方法相比，可實(shí)現(xiàn)個(gè)性化托槽的直接成型，避免空穴、空洞等鑄造缺陷；3D打印技術(shù)的應(yīng)用還包括隱形透明矯正器，采用光聚合工藝—數(shù)字光處理（DLP）、立體光固化（SLA）等。其中隱形矯正器的生產(chǎn)流程主要包括：口腔掃描/印模掃描—3D建模—數(shù)字化矯正—3D打印牙?！獰崴艹尚汀筇幚?。在此過(guò)程中，3D打印實(shí)現(xiàn)不同矯正階段牙齒模型的批量定制化生產(chǎn)，3D打印牙模將用于定制化矯正器的熱塑成型制造。牙科產(chǎn)業(yè)正在通過(guò)融合3D打印等數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)型，靈活的3D打印數(shù)字化技術(shù)將有助于促進(jìn)牙科保持其發(fā)展趨勢(shì)，這些趨勢(shì)包括更高水平的椅旁治療和診所內(nèi)部生產(chǎn)，牙科診所商業(yè)模式的轉(zhuǎn)型。

近年來(lái)，隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，在補(bǔ)種牙等口腔修復(fù)上都引入了3D打印技術(shù)，但是針對(duì)牙科應(yīng)用開發(fā)的專用3D打印樹脂材料，需要進(jìn)一步拓展光聚合3D打印技術(shù)在義齒數(shù)字化加工中的應(yīng)用， 獲得醫(yī)學(xué)認(rèn)證的最終產(chǎn)品制造材料。針對(duì)牙科技工所對(duì)高效、批量生產(chǎn)的需求，3D打印設(shè)備企業(yè)推出了自動(dòng)化的3D打印生產(chǎn)系統(tǒng)，不僅其設(shè)備本身在打印質(zhì)量監(jiān)控、打印參數(shù)優(yōu)化方面更加智能化，其集群的管理也更加智能化。例如黑格科技開發(fā)了云端數(shù)據(jù)管理中心ULTRA.HUB和設(shè)備集群管理系統(tǒng)ULTRA.NET，并與阿里云合作開發(fā)智能算法，提高打印速度。目前，國(guó)內(nèi)3D打印種植牙方面正處于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)階段。

3D打印是齒科數(shù)字化技術(shù)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，3D打印設(shè)備與圓錐光束計(jì)算機(jī)斷層掃描（CBCT）等影像設(shè)備、掃描設(shè)備、設(shè)計(jì)軟件之間的無(wú)縫集成，才能形成一個(gè)完整的口腔數(shù)字化加工閉環(huán)。

3.2 3D打印手術(shù)導(dǎo)板

3D打印的手術(shù)導(dǎo)板是典型的個(gè)性化手術(shù)工具，能夠在一定程度上簡(jiǎn)化手術(shù)操作流程，實(shí)現(xiàn)精確化控制，受到了醫(yī)療領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。通過(guò)內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方式來(lái)控制材料性能，為患者治療提供定制化解決方案，可解決傳統(tǒng)方式無(wú)法解決的臨床問(wèn)題，滿足特殊臨床需求。在手術(shù)預(yù)規(guī)劃階段，醫(yī)生可以借助軟件（如比利時(shí)Materialise公司的Magics軟件） 來(lái)設(shè)計(jì)手術(shù)導(dǎo)板，先在三維模型上做標(biāo)記，再反向利用3D打印設(shè)備將手術(shù)導(dǎo)板打印出來(lái)?？捎糜谥谱魇中g(shù)導(dǎo)板的3D打印技術(shù)很多，例如有熔融沉積成型（FDM）、立體光固化（SLA）、三維打印成型（3DP）、選擇性激光燒結(jié)（SLS）、選擇性激光熔化（SLM）等，但每種3D打印技術(shù)使用的材料、加工時(shí)間、打印產(chǎn)品強(qiáng)度都各不相同。

3.3 3D打印骨科植入物

根據(jù)Evaluate Medtec預(yù)計(jì)，2025年全球醫(yī)療器械市場(chǎng)規(guī)模為4050億美元，骨科器械占比為9.01%。使用3D打印技術(shù)能夠制造出更多先進(jìn)合格的植入物和假體，也使得定制化植入物的交貨速度得以提升，從設(shè)計(jì)到制造一個(gè)定制化的植入物最快可以在24h內(nèi)完成。工程師通過(guò)醫(yī)院提供的X射線、核磁共振、CT等醫(yī)學(xué)影像文件，建立三維模型并設(shè)計(jì)植入物，最終將設(shè)計(jì)文件通過(guò)金屬3D打印設(shè)備制造出來(lái)。上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院戴尅戎院士和郝永強(qiáng)教授領(lǐng)銜的骨腫瘤團(tuán)隊(duì)，曾為一位44歲男性患者成功實(shí)施了骨盆軟骨肉瘤切除后假體重建手術(shù)?；颊咝g(shù)后3天即能進(jìn)行下地康復(fù)訓(xùn)練，術(shù)后2周已能扶拐行走，術(shù)后10個(gè)月可完成下蹲和駕駛汽車。

3.4 3D打印康復(fù)醫(yī)療器械

3D打印假肢等康復(fù)醫(yī)療器械設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜，以3D打印假肢為例，美國(guó)的創(chuàng)客團(tuán)隊(duì)曾與3D打印公司Stratasys合作，為一位兒童制作假肢，成本僅350美元，而常規(guī)的假肢價(jià)格高達(dá)4萬(wàn)美元。在兒童的成長(zhǎng)中需要多次更換假肢，如果購(gòu)買傳統(tǒng)的假肢將會(huì)給家庭帶來(lái)沉重負(fù)擔(dān)。然而，假肢在設(shè)計(jì)時(shí)既要考慮舒適安全性，又需要考慮運(yùn)動(dòng)功能，這2種性能之間存在的“剛”與“柔”的矛盾。因此，在設(shè)計(jì)前，需要科學(xué)的采集佩戴者的掃描數(shù)據(jù)。進(jìn)而，3D打印康復(fù)醫(yī)療器械的推廣需要專業(yè)的醫(yī)療器械服務(wù)商介入，從數(shù)據(jù)采集、設(shè)計(jì)、成型以及產(chǎn)品的認(rèn)證方面進(jìn)行專業(yè)的操作。

4 3D打印在醫(yī)療器械領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)及未來(lái)商業(yè)化前景

材料是3D打印技術(shù)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。在一定程度上，打印材料決定了3D打印制品的性能和其所應(yīng)用的領(lǐng)域。目前，3D打印材料主要包括光敏樹脂、橡膠、塑料、陶瓷和金屬。按照化學(xué)性質(zhì)，這些材料可分為金屬材料（鋁合金、鈦合金、鎳基合金、不銹鋼等）、高分子類材料（ABS、PLA、PA、PC、PEEK、蠟）、無(wú)機(jī)非金屬材料（石膏、陶瓷、覆膜砂）及其它生物材料、復(fù)合材料。表3是常見的3D打印工藝及其使用的材料。

3D打印材料按形態(tài)可分為粉末、線材、薄膜、液體等，與傳統(tǒng)材料不同，這些材料是專門針對(duì)3D打印工藝而研發(fā)，因此不同的3D打印工藝對(duì)材料也會(huì)有一些不同的要求。例如，SLM（選擇性激光熔化）3D打印工藝對(duì)粉末的特殊要求為：粒徑在20～63μm之間，具有較高的球形度，氧及其他雜質(zhì)含量低、粒度分布均勻可控、致密性好等。

目前塑性粉末和光敏聚合物材料在3D打印作業(yè)中的應(yīng)用最為廣泛。未來(lái)市場(chǎng)3D復(fù)合打印材料的規(guī)模不斷增加，金屬3D打印材料的應(yīng)用也將逐年上升。2022年，3D打印復(fù)合材料市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到1.11億美元，占比6.88%，3D打印金屬材料的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)8億美元，占比超過(guò)50%，金屬3D打印粉末的研發(fā)生產(chǎn)將有更廣闊的市場(chǎng)空間。值得一提的是，3D打印鎢和鉭在醫(yī)療行業(yè)中有很好的應(yīng)用前景，金屬3D打印粉末對(duì)推動(dòng)3D打印技術(shù)的發(fā)展有著很大的影響力。

近年來(lái)，生物3D打印正在成為醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的一大主題，生物3D打印未來(lái)可能是一種出色，快速且可利于挽救生命的最終解決方案。生物3D打印技術(shù)可以允許創(chuàng)建各種組織結(jié)構(gòu)，例如腎臟組織，皮膚組織等。強(qiáng)生旗下子公司Tissue Regeneration Systems（TRS）的3D打印可降解組織工程支架技術(shù)平臺(tái)和首個(gè)商業(yè)產(chǎn)品已獲得美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）批準(zhǔn)。清華大學(xué)孫偉團(tuán)隊(duì)在國(guó)內(nèi)率先實(shí)現(xiàn)了單個(gè)細(xì)胞生物3D打印，通過(guò)細(xì)胞組裝，模仿天然組織和器官的結(jié)構(gòu)，它可能為燒傷受害者制造人體組織，同時(shí)也是創(chuàng)建人體器官以進(jìn)行器官移植的一種潛在新方法。在生物3D打印領(lǐng)域，其技術(shù)遠(yuǎn)未達(dá)到發(fā)展極限，在未來(lái)還有許多令人驚嘆的技術(shù)在默默的研發(fā)中。

5 3D打印的發(fā)展機(jī)遇和挑戰(zhàn)

美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）在2017年12月5日就已經(jīng)發(fā)布了《3D打印醫(yī)療產(chǎn)品技術(shù)指導(dǎo)意見》，該指導(dǎo)意見概述了FDA對(duì)從設(shè)備階段到成品設(shè)備的過(guò)程驗(yàn)證，到獲得審批的3D打印設(shè)備的建議。2020年3月26日， FDA又發(fā)布了《COVID—19大流行期間醫(yī)療設(shè)備、配件、零件的3D打印常見問(wèn)題解答》。目前，F(xiàn)DA正就面向未來(lái)的關(guān)于3D打印方面的監(jiān)督框架公開征求意見，以確保3D打印醫(yī)療器械的質(zhì)量，以盡可能完善即將出臺(tái)的3D打印醫(yī)療器材相關(guān)法規(guī)。

近年來(lái)，定制式醫(yī)療器械在我國(guó)也得到了應(yīng)用發(fā)展。2020年1月1日，《定制式醫(yī)療器械監(jiān)督管理規(guī)定（試行）》正式實(shí)施。該規(guī)定使得3D打印定制化骨科植入物在接受監(jiān)管的過(guò)程中有依據(jù)可尋，以促進(jìn)3D打印定制化骨科植入物技術(shù)在臨床中應(yīng)用和發(fā)展。

持續(xù)的Covid—19病毒揭示了復(fù)雜的全球供應(yīng)鏈脆弱性，僅僅一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題也可能導(dǎo)致整個(gè)運(yùn)營(yíng)陷入停頓。采用3D打印技術(shù)可以通過(guò)本地化生產(chǎn)和用軟件文件替換物理存儲(chǔ)的庫(kù)存，以數(shù)字化制造及設(shè)計(jì)手段實(shí)現(xiàn)按需迭代，減少浪費(fèi)和風(fēng)險(xiǎn)。關(guān)鍵制造部件可以在現(xiàn)場(chǎng)打印，并且可以在需要的地方發(fā)送安全的數(shù)字文件，倉(cāng)庫(kù)占地面積和物流需求能夠顯著減少。另外，特別重要的是增材制造技術(shù)能夠通過(guò)減少能源消耗和浪費(fèi)實(shí)現(xiàn)保護(hù)資源的目標(biāo)。隨著我國(guó)3D打印技術(shù)的快速發(fā)展，無(wú)論是3D打印設(shè)備、還是材料等都是實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)替代的良機(jī)。

但結(jié)合國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀，我國(guó)3D打印仍然面臨以下幾個(gè)方面的挑戰(zhàn)：

一是產(chǎn)業(yè)規(guī)模有限。國(guó)內(nèi)3D打印的市場(chǎng)興起時(shí)間較短，國(guó)內(nèi)企業(yè)多是初創(chuàng)企業(yè)，其在用戶交互系統(tǒng)投入不夠，導(dǎo)致用戶在采購(gòu)?fù)暝O(shè)備后，用戶體驗(yàn)不好，從而影響了產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴(kuò)張，

二是技術(shù)引進(jìn)成本高。3D打印設(shè)備，尤其是工業(yè)級(jí)設(shè)備的價(jià)格成為一個(gè)難以逾越的門檻。另外，3D打印材料的價(jià)格從每千克幾百元到幾千元不等。對(duì)于金屬材料，如鈦合金，進(jìn)口價(jià)格達(dá)到3000～4000元/kg。許多3D打印材料供應(yīng)商和服務(wù)提供商已經(jīng)啟動(dòng)了成本控制計(jì)劃，將材料成本降低30%左右。但是，3D打印設(shè)備的價(jià)格可能不會(huì)有明顯降低，這仍然是影響3D打印技術(shù)引進(jìn)的障礙。

三是設(shè)計(jì)人員思維局限。3D打印技術(shù)在表達(dá)設(shè)計(jì)思路上具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。然而，設(shè)計(jì)人員“工藝驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)”的慣性思維一直存在，優(yōu)化設(shè)計(jì)能力普遍不高，不能熟練運(yùn)用3D打印思維進(jìn)行設(shè)計(jì)，很大程度上阻礙了3D打印技術(shù)的行業(yè)應(yīng)用和普及。

四是打印材料的瓶頸問(wèn)題有待解決。理論上講，可用于3D打印的材料是廣泛的。而從實(shí)際使用效果看，桌面級(jí)的3D打印材料主要是塑料、光敏樹脂等。工業(yè)級(jí)的3D打印材料目前適用的金屬材料牌號(hào)僅有10余種，同樣金屬材料牌號(hào)的金屬粉體的性能指標(biāo)也與國(guó)外存在差距，特別是高熔點(diǎn)的鎢材料，研發(fā)難度壁壘較高，需要較大的研發(fā)投入。當(dāng)下，3D打印材料的問(wèn)題集中體現(xiàn)在：打印材料成熟度跟不上市場(chǎng)的發(fā)展速度，打印材料的強(qiáng)度差以及環(huán)保及安全問(wèn)題等。

五是標(biāo)準(zhǔn)及法規(guī)有待完善。一項(xiàng)新技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展需要成體系化的配套標(biāo)準(zhǔn)作為支撐，而目前3D打印行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，設(shè)備供應(yīng)商、軟件供應(yīng)商各自為戰(zhàn)，從原材料檢測(cè)到設(shè)備、工藝等環(huán)節(jié)都沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，極大地阻礙產(chǎn)業(yè)發(fā)展。其次，相應(yīng)的法律監(jiān)管也不完善。以醫(yī)療行業(yè)為例，3D打印的人體植入物需要通過(guò)嚴(yán)格的法律監(jiān)管才能上市，但由于相應(yīng)法律體系的不完善，導(dǎo)致產(chǎn)品從研發(fā)到實(shí)際使用周期被延長(zhǎng)，阻礙了3D打印在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用推廣。

10.19599/j.issn.1008-892x.2022.02.011