得益于精細(xì)度高、成品堅(jiān)固和可復(fù)制復(fù)雜幾何模型等優(yōu)勢(shì)，3D打印技術(shù)逐漸應(yīng)用于越來(lái)越多的行業(yè)領(lǐng)域。尤其是近年來(lái)，工業(yè)級(jí)3D打印設(shè)備在航空航天、汽車制造、醫(yī)療衛(wèi)生以及藝術(shù)品復(fù)制等領(lǐng)域展現(xiàn)了良好的發(fā)展態(tài)勢(shì)，3D打印的熱潮席卷全球，與3D打印相關(guān)打印設(shè)備、材料與技術(shù)層出不窮。其中，醫(yī)療和外科中心對(duì)3D打印的需求占市場(chǎng)份額的三分之二。
據(jù)市場(chǎng)資訊機(jī)構(gòu)Allied Market Research數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2015年全球3D打印醫(yī)療保健市場(chǎng)的銷售額為5.79億美元，預(yù)計(jì)2020年將增長(zhǎng)至23.638億美元，而2015年至2020年，全球3D打印醫(yī)療保健市場(chǎng)的平均增長(zhǎng)率預(yù)計(jì)將達(dá)26.6%，3D打印技術(shù)在醫(yī)療行業(yè)的應(yīng)用潛力十足。本期特別報(bào)道欄目將為您盤點(diǎn)2018上半年3D打印技術(shù)的最新發(fā)展以及在醫(yī)療領(lǐng)域的部分應(yīng)用案例，供讀者了解參考。
強(qiáng)大助力——醫(yī)療輔助部件
3D 打印截骨工具輔助膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)
今年年初，惠州市第一人民醫(yī)院采取WRIGHT 3D打印技術(shù)定制截骨工具，成功實(shí)施了一例膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)。據(jù)了解，接受此次手術(shù)的患者患有右膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎，需進(jìn)行膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)。據(jù)主刀醫(yī)生介紹，對(duì)于膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)，手術(shù)前的策劃很重要，要根據(jù)病人原本的解剖機(jī)構(gòu)去設(shè)計(jì)各種角度，比如股骨外翻角度、旋轉(zhuǎn)角度、脛骨的后傾角度旋轉(zhuǎn)等。而本次采用WRIGHT 3D打印技術(shù)，首先就要將患者的CT數(shù)據(jù)傳送到供應(yīng)服務(wù)的醫(yī)療3D打印技術(shù)公司，截骨的度數(shù)、矯正畸形的程度，再使用高密度尼龍材料，打印出符合公司通過(guò)計(jì)算機(jī)策劃計(jì)算出的各種患者骨骼形狀的3D打印截骨工具。
據(jù)了解，借助3D截骨工具，此次手術(shù)時(shí)間較以往同類手術(shù)平均時(shí)間減少了約40分鐘，而且膝關(guān)節(jié)假體也與該名患者的真骨高度貼合。手術(shù)過(guò)程十分順利，約一天后，該患者已可嘗試下地行走。
利用3D打印模型完成腎移植手術(shù)
最近，一個(gè)3D打印的腎臟手術(shù)模型幫助英國(guó)北愛(ài)爾蘭Belfast醫(yī)院的外科醫(yī)生完成了一個(gè)非常復(fù)雜的手術(shù)。來(lái)自Belfast的22歲女性波琳. 芬頓患有晚期腎病，完全依靠透析治療。醫(yī)生發(fā)現(xiàn)波琳父親是一個(gè)合適的腎臟捐贈(zèng)者，但在其父親要捐獻(xiàn)的腎臟上發(fā)現(xiàn)一個(gè)潛在的癌性囊腫。在此情況下，醫(yī)生必須確保囊腫的精確完整切除以獲得最大的健康移植組織。
考慮到移植準(zhǔn)備的復(fù)雜性，外科醫(yī)生與當(dāng)?shù)氐尼t(yī)療3D打印公司axial3D合作。axial3D使用CT掃描成像構(gòu)建威廉芬頓腎的精確1：1 模型。然后使用粘合劑噴射技術(shù)在axial3D 實(shí)驗(yàn)室中對(duì)模型進(jìn)行3D打印。Belfast 醫(yī)院的外科醫(yī)生計(jì)劃并排練了該模型的手術(shù)，其中包含了囊腫的精確尺寸和位置，并考慮了所有的并發(fā)癥。而這種洞察力在標(biāo)準(zhǔn)的術(shù)前影像檢查中是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。負(fù)責(zé)此次手術(shù)的團(tuán)隊(duì)表示，腎臟模型對(duì)于他們規(guī)劃手術(shù)的最佳步驟是有利的。最終，囊腫去除和腎臟移植成功，而波琳也重獲新生。
3D打印技術(shù)首次造出類腦組織
美國(guó)《趣味科學(xué)》網(wǎng)站報(bào)道稱，英國(guó)科學(xué)家近日使用新的3D打印技術(shù)，首次打印出像人腦一樣柔軟的類腦組織，這向最終3D 打印出功能齊備的完整大腦邁出重要一步。以往，只有相對(duì)硬一些的材料可被3D打印出來(lái)，而大腦、肺等軟組織，一般很難通過(guò)3D打印技術(shù)獲得。這是因?yàn)?D打印過(guò)程涉及逐層建造物體，下層要能支撐不斷增長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)的重量，而打印非常柔軟的材料，則容易出現(xiàn)底層材料崩塌問(wèn)題。
此次，研究人員使用一種新型復(fù)合水凝膠（包含水溶性合成聚乙烯醇以及植物凝膠兩種成分），打印出三維支架，然后用膠原蛋白包裹打印出結(jié)構(gòu)，并用人類細(xì)胞進(jìn)行填充，得到了類腦軟組織。為解決打印軟組織難這一問(wèn)題，研究人員在打印過(guò)程中進(jìn)行了降溫處理。
據(jù)悉，該技術(shù)目前還存在不少局限性，比如，僅能制造出類腦組織的小樣本，而非整個(gè)大腦。研究人員認(rèn)為，要使用3D打印技術(shù)獲得功能齊備的復(fù)雜人類器官（大腦或肺等），可能還要等數(shù)十年時(shí)間，但該技術(shù)獲得的組織可幫助科學(xué)家研究大腦或肺在不同環(huán)境下（如腦外傷等）的行為。
開發(fā)用于組織重建的生物3D打印聚合物
近期，法國(guó)醫(yī)療設(shè)備公司Gecko Biomedical從“未來(lái)投資計(jì)劃”（PIA）處獲得了600萬(wàn)歐元（合740萬(wàn)美元）的資金。這筆資金將主要用于促進(jìn)用于組織重建和周圍神經(jīng)治療的專用生物3D打印聚合物的開發(fā)和工業(yè)化。這家總部位于巴黎的公司目前正在開發(fā)生物3D打印合成聚合物的“獨(dú)家平臺(tái)”，據(jù)說(shuō)這可以實(shí)現(xiàn)組織重建。同時(shí)，具有生物相容性和生物可吸收性的材料被設(shè)計(jì)為在手術(shù)期間粘附到內(nèi)部組織，以幫助患者組織的自然重建。
Gecko Biomedical將3D打印材料比作一種“屏障或密封劑”，可以在手術(shù)過(guò)程中和手術(shù)后輔助組織重建。此外，該公司表示，組織植入物被設(shè)計(jì)為由特定類型的光“激活”，并且可以以高分辨率進(jìn)行3D打印以獲得最佳效率。
該公司解釋說(shuō)，其創(chuàng)新研究的目標(biāo)是通過(guò)使用“3D打印的微導(dǎo)管”和生物相容性粘合劑來(lái)重建周圍神經(jīng)，這種粘合劑可以替代傳統(tǒng)的縫合線。Gecko Biomedical公司首席執(zhí)行官Christophe Bancel表示：“我們還打算通過(guò)我們的3D打印平臺(tái)的工業(yè)和臨床開發(fā)加快我們的戰(zhàn)略第二階段，通過(guò)利用我們的聚合物作生物醫(yī)學(xué)樹脂，以及通過(guò)最先進(jìn)的3D打印技術(shù)，優(yōu)化國(guó)有醫(yī)療機(jī)構(gòu)植入物的生物可吸收和高分辨率特性。”
完美結(jié)合——醫(yī)療植入物
TU Delft推出獨(dú)特3D打印髖關(guān)節(jié)植入物
植入物松動(dòng)是影響醫(yī)療裝置長(zhǎng)期有效性的問(wèn)題之一，尤其是對(duì)于臀部區(qū)域的裝置。有預(yù)測(cè)稱，到2020年全世界髖關(guān)節(jié)假體的數(shù)量預(yù)計(jì)將達(dá)250萬(wàn)個(gè)/年，而按照目前的技術(shù)，約10％的假體在術(shù)后10年內(nèi)會(huì)失去固定作用。由Amir Zadpoor領(lǐng)導(dǎo)的TU Delft團(tuán)隊(duì)開始通過(guò)3D打印植入物來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。
根據(jù)Zapdoor的說(shuō)法，“髖關(guān)節(jié)植入物行走時(shí)，假體會(huì)受到各種力量的作用，假體一側(cè)的壓力太大，可能會(huì)脫離骨頭，這是非常不可取的。3D打印的混合假體髖關(guān)節(jié)植入物結(jié)合了一種材料，當(dāng)拉伸時(shí)變厚，而另一側(cè)變薄。這種雙泊松比組合將提高植入物周圍骨骼生長(zhǎng)的機(jī)會(huì)，這意味著它們將被更安全地固定到位。”
TU Delft團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)對(duì)模擬骨樣材料（具有骨的機(jī)械特性的特殊泡沫）所包圍的植入物進(jìn)行垂直壓縮，該力類似于施加在人體植入物上的應(yīng)力，由于這種壓力，新的植入物膨脹，導(dǎo)致兩側(cè)的骨周圍受到壓迫。當(dāng)植入物最終用于人體時(shí)，正是這種壓縮確保改進(jìn)的植入物固定。據(jù)悉，該研究結(jié)果已經(jīng)發(fā)表在英國(guó)皇家化學(xué)學(xué)會(huì)同行評(píng)議期刊
“Materials Horizons”上。
3D打印鈦網(wǎng)植入物促進(jìn)骨再生
近日，來(lái)自哈佛Wyss 研究所、Julius Wolff研究所、柏林- 勃蘭登堡再生療法中心和Charité肌骨胳外科中心的合作研究團(tuán)隊(duì)聚集在一起，研究3D打印鈦網(wǎng)支架在植入物中的益處。最近在《科學(xué)轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)》雜志上發(fā)表的臨床前研究報(bào)告表示，3D打印的支架確實(shí)有助于優(yōu)化患者的骨再生。
在醫(yī)療領(lǐng)域內(nèi)，大型骨缺損或損傷的治療仍然是一個(gè)棘手的領(lǐng)域。但來(lái)自Charité肌肉骨骼外科中心的研究小組已經(jīng)證明，能夠通過(guò)設(shè)計(jì)和制造定制的3D 打印支架來(lái)治療大的骨缺損。
這種方法是通過(guò)使用患者骨骼的CT掃描，醫(yī)療團(tuán)隊(duì)生成缺陷骨骼的3D模型。這種3D打印結(jié)構(gòu)對(duì)于促進(jìn)骨再生至關(guān)重要，因?yàn)樗试S醫(yī)生用病人的骨組織、生長(zhǎng)因子和骨替代材料填充植入物。到目前為止，Charité肌肉骨胳外科中心已經(jīng)將定制的3D打印骨支架植入到共19名患者中，所有患者都展示出良好的治愈希望。目前，合作團(tuán)隊(duì)正在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)使用3D打印技術(shù)的軟質(zhì)、機(jī)械生物學(xué)優(yōu)化的鈦網(wǎng)支架。該團(tuán)隊(duì)表示，它的技術(shù)甚至可以用來(lái)治療脊柱、口腔和頜面部缺陷。
德國(guó)EIT新興3D打印植入物獲FDA批準(zhǔn)
Emerging Implant Technologies（EIT）是第一家在骨科領(lǐng)域?qū)Ｗ⒂谑褂迷霾闹圃熘踩胛锏尼t(yī)療器械制造商，專門用3D打印植入物治療脊柱疾病，技術(shù)在業(yè)內(nèi)十分突出。EIT的專長(zhǎng)是其Cellular Titanium技術(shù)，這是一種多孔鈦材料，其結(jié)構(gòu)接近于皮質(zhì)和松質(zhì)骨，這種設(shè)計(jì)有利于天然骨的再生和結(jié)合，對(duì)醫(yī)療領(lǐng)域和需要植入物治療的患者有重大影響。
在去年，Celluluar Titanium脊柱植入物就獲得了美國(guó)食品和藥物管理局（FDA）批準(zhǔn)，如今EIT再次獲得FDA批準(zhǔn)， 據(jù)了解此次擴(kuò)大EIT Cellular Titanium應(yīng)用后可用于多個(gè)連續(xù)的頸椎水平（C2到T1）。通過(guò)適應(yīng)最大化的椎體終板接觸和矢狀平衡恢復(fù)，宮頸網(wǎng)架的設(shè)計(jì)有助于頸椎多層融合的手術(shù)和生物力學(xué)挑戰(zhàn)。EIT公司專有的3D打印工藝支持植入物的融合潛力，包括印后蝕刻程序，并允許使用傳統(tǒng)制造技術(shù)無(wú)法制造的獨(dú)特多孔結(jié)構(gòu)。
眾所周知，脊椎病一直難以治療，這就是EIT所提供的技術(shù)令人興奮的原因。該公司的Cellular Titanium植入物不僅可以代替，而且有助于重新生長(zhǎng)骨骼，從而導(dǎo)致患者更快、更完整的愈合。此外，EIT 還有更多的創(chuàng)新產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)。今年第二季度，公司計(jì)劃在其產(chǎn)品組合中增加一個(gè)橫向腰椎籠，并在第四季度增加一個(gè)完全3D打印的橫向擴(kuò)展籠。
Extremiti3D獲20萬(wàn)美元投資用于開發(fā)3D打印假肢插座
近期，南卡羅來(lái)納州的一家專門從事3D打印假肢插座和化妝品覆蓋的公司Extremiti3D LLC 獲得了南卡羅來(lái)納州研究機(jī)構(gòu)（SCRA）的投資。據(jù)悉，SCRA 是一家促進(jìn)南卡羅萊納州創(chuàng)新經(jīng)濟(jì)發(fā)展的公共非營(yíng)利性公司。
Extremiti3D的Johns Island與認(rèn)證的假肢專業(yè)人員合作，制造出3D打印假體插座和化妝品覆蓋物，可以在短時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)，比傳統(tǒng)制造的產(chǎn)品更舒適。3D掃描用于掃描患者的解剖結(jié)構(gòu)，而3D打印則用于制造定制產(chǎn)品。SCRA執(zhí)行董事Bob Quinn說(shuō)：“Extremiti 3D正在利用先進(jìn)的制造技術(shù)為截肢者提供定制產(chǎn)品。他們正在做的工作將對(duì)他們的客戶產(chǎn)生巨大的影響。”
那么，為什么這些3D打印假體插座和化妝品覆蓋物被認(rèn)為如此有價(jià)值？據(jù)悉，在美國(guó)150萬(wàn)下肢截肢者中，約四分之三的人使用人造石膏成形和熱成形加工方法制造人造義齒窩。而根據(jù)Extremiti3D解釋，這些過(guò)程是“過(guò)時(shí)的、慢的、昂貴的、不精確的”。另一個(gè)是由部分自動(dòng)化CAD/CAM雕刻解決方案捏造的。雖然更好，但是這個(gè)過(guò)程往往會(huì)導(dǎo)致不合適的結(jié)果。
Extremiti 3D的解決方案由三維掃描和打印工藝組成，將單個(gè)假體制造時(shí)間減少了80％，成本降低了57％，并且生產(chǎn)出更加舒適的假體。根據(jù)Extremiti3D網(wǎng)站宣稱，碳纖維增強(qiáng)材料被用于3D打印假體，可以在獲得3D掃描數(shù)據(jù)的48小時(shí)內(nèi)制造和發(fā)貨。該公司的保護(hù)性假肢蓋也可用于各種膚色或圖案。
Extremiti3D的服務(wù)業(yè)務(wù)計(jì)劃將在2018年第三季度完成，公司有信心取得成功。
多面助攻——牙科和藥物
3D打印牙齒要來(lái)了
從去年年底到今年上半年，北京大學(xué)口腔醫(yī)院唐志輝教授主導(dǎo)的" 增材制造和激光制造" 重點(diǎn)專項(xiàng)項(xiàng)目" 增材制造個(gè)性化牙種植體與頜面骨、顳下頜關(guān)節(jié)修復(fù)體" 的關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)取得了突破性的進(jìn)展。據(jù)了解，通過(guò)3D打印技術(shù)，這個(gè)項(xiàng)目在實(shí)踐中不僅可以大幅降低治療周期以及成本，還可以減少患者的疼痛感。另外，該項(xiàng)目目前已經(jīng)完成動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，不久也將進(jìn)入到臨床試驗(yàn)。
事實(shí)上，牙種植技術(shù)雖然很適用于牙齒修復(fù)領(lǐng)域，但目前我國(guó)對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用仍然不夠普及。據(jù)悉，2016年全球牙種植體使用量約為1800萬(wàn)顆，而我國(guó)僅占80萬(wàn)顆，比例不足5%。據(jù)業(yè)內(nèi)相關(guān)人士透露，之所以會(huì)有這種現(xiàn)象，首先是因?yàn)檠婪N植技術(shù)復(fù)雜。此外，還有一個(gè)重要的原因-- 牙種植體市場(chǎng)長(zhǎng)期被國(guó)外產(chǎn)品壟斷，價(jià)格高昂。目前，一顆種植牙的手術(shù)費(fèi)、種植體費(fèi)用以及牙冠費(fèi)用匯總約1.6萬(wàn)元。其中，占比最高的為種植體的價(jià)格。但由于3D打印技術(shù)在醫(yī)療上的領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，這種情況將有所好轉(zhuǎn)。
對(duì)此，唐志輝教授介紹說(shuō)，3D打印設(shè)備將會(huì)打印出與原來(lái)的牙齒一樣的牙冠和牙根。由于這顆牙齒與原來(lái)的牙齒一樣，因此，患者在種牙時(shí)既不需要額外植骨，也不需要再給牙槽骨打洞，制備植牙孔。這樣一來(lái)，患者將不僅能減輕創(chuàng)傷程度、縮短修復(fù)時(shí)間，還可以大大降低費(fèi)用。據(jù)估計(jì)，種一顆私人訂制的“3D打印牙”費(fèi)用在萬(wàn)元以內(nèi)。
第一個(gè)獲FDA 批準(zhǔn)的3D打印藥物正式上市
日前，Aprecia制藥公司宣布之前獲得美國(guó)食品藥物監(jiān)督管理局（FDA）批準(zhǔn)的產(chǎn)品SPRITAM（左乙拉西坦）片劑正式上市，這是史上第一個(gè)FDA批準(zhǔn)的使用3D打印技術(shù)制造的處方藥產(chǎn)品。
Levetiracetem（左乙拉西坦）是一種口服藥物，可作為各種癲癇疾病的兒童和成人處方治療的一部分。該藥片只需一小口水就可以瞬間溶解，大大提升了服藥的舒適度，尤其是在患者需要一次服用很大劑量藥物的時(shí)候。俄亥俄州辛辛那提Riverhills神經(jīng)科學(xué)中心的神經(jīng)學(xué)家Marvin H. Rorick III博士表示：“有的癲癇病人有時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)吞咽障礙，或者有的孩子在日常中不愿意按時(shí)服藥等，對(duì)于這些患者來(lái)說(shuō)，堅(jiān)持可能是一個(gè)挑戰(zhàn)。這種能夠快速溶解的藥物能夠幫助老人和兒童更加輕松地管理這種疾病。”
Aprecia公司曾表示，藥片生產(chǎn)由于使用了ZipDose技術(shù)， 高達(dá)1000毫克劑量的藥片只需一口果汁就可以輕松咽下。有業(yè)內(nèi)人士表示，3D打印藥物實(shí)際上說(shuō)的是一種制劑加工技術(shù)，是在傳統(tǒng)制藥采用的壓片法上進(jìn)行了創(chuàng)新，對(duì)于藥物配方并沒(méi)有什么改變。除上述癲癇癥治療藥物外，Aprecia公司計(jì)劃推出一系列藥物，用于治療中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病。
僅10分鐘便可生產(chǎn)定制藥物的3D打印機(jī)問(wèn)世
去年底，羅德島州的初創(chuàng)公司Vitae Industries開發(fā)了一種可以打印制藥丸和糖果的3D打印機(jī)——AutoCompounder。據(jù)了解， 這種打印機(jī)可以在傳統(tǒng)生產(chǎn)方式的三分之一時(shí)間內(nèi)進(jìn)行膠囊填充，整個(gè)打印過(guò)程只需要10分鐘左右，而且操作結(jié)束后機(jī)器可自行進(jìn)行清理。不僅如此，通過(guò)這種打印機(jī)，藥劑師將能夠打印“多藥丸”，即將多種藥物組合在一個(gè)藥丸中，使患者服用藥物更簡(jiǎn)單。
雖然為個(gè)體患者制定個(gè)性化藥物比標(biāo)準(zhǔn)劑量藥丸的大規(guī)模生產(chǎn)更耗時(shí)，但據(jù)稱，AutoCompounder 的速度足以使個(gè)性化生產(chǎn)成為可行途徑。目前，這家公司已經(jīng)吸引了一批投資者的注意，迄今為止，Vitae Industries已經(jīng)收到了包括BoxGroup、Techstars和Lerer Hippeau Ventures 在內(nèi)的約200萬(wàn)美元的投資。顯然，這些投資者看到了AutoCompounder的盈利能力。目前，Vitae Industries 公司正在測(cè)試其原型藥，并計(jì)劃將在今年進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。
結(jié)語(yǔ)
通過(guò)以上盤點(diǎn)，我們了解了近期醫(yī)用3D打印技術(shù)的部分發(fā)展情況。由于3D打印在技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)契合了醫(yī)療行業(yè)對(duì)儀器和器官等的需求，所以近年來(lái)，3D打印行業(yè)在醫(yī)療行業(yè)擁有越來(lái)越深入的應(yīng)用。然而3D打印材料、設(shè)備及技術(shù)在一定程度上制約了3D打印技術(shù)在醫(yī)療行業(yè)的應(yīng)用，因此只有突破制約，才能促使醫(yī)療3D打印行業(yè)更好地發(fā)展。
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