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近年來，隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展和精準(zhǔn)化、個(gè)性化醫(yī)療需求的增長，3D打印技術(shù)在醫(yī)療行業(yè)應(yīng)用在廣度和深度方面都得到了顯著發(fā)展。在應(yīng)用的廣度方面，從最初的醫(yī)療模型快速制造，逐漸發(fā)展到3D打印直接制造助聽器外殼、植入物、復(fù)雜手術(shù)器械和3D打印藥品。在深度方面，由3D打印沒有生命的醫(yī)療器械向打印具有生物活性的人工組織、器官的方向發(fā)展。

 

這些醫(yī)療行業(yè)的主要應(yīng)用和在這些應(yīng)用中使用的主要3D技術(shù)及材料可以反映在一張圖上：

 

 

3d printing in medical industry

 

 
3D打印的醫(yī)療模型和手術(shù)導(dǎo)板

 

 
在手術(shù)前根據(jù)患者的CT或核磁共振數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模，然后通過3D打印機(jī)將模型打印出來，就得到一個(gè)醫(yī)療模型。3D打印的醫(yī)療模型最主要的作用是讓醫(yī)生在手術(shù)前可以直觀的看到手術(shù)部位的三維結(jié)構(gòu)，有助于醫(yī)生規(guī)劃手術(shù)方案。尤其針對(duì)復(fù)雜手術(shù)，有助于降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，提高手術(shù)的成功率。手術(shù)導(dǎo)板是醫(yī)生在手術(shù)中輔助手術(shù)的重要工具，3D打印技術(shù)尤其適合制造異型或個(gè)性化的導(dǎo)板。

 

 
從骨科手術(shù)到心臟手術(shù)再到肝臟手術(shù)……越來越多的手術(shù)開始借助3D打印的醫(yī)療模型。例如2015年上海市第一人民醫(yī)院普外科中心主任彭志海教授團(tuán)隊(duì)采用3D打印技術(shù)為一位來自貴州的患先天性自身免疫性肝硬化門靜脈高壓癥的病人進(jìn)行活體肝移植。術(shù)前為了能精準(zhǔn)制定手術(shù)方案，專家想到了3D打印技術(shù)。3D打印將患者的肝膽胰臟器和相應(yīng)的病變部位以1：1的“實(shí)物”形式呈現(xiàn)在醫(yī)生面前，通過精確評(píng)估病變范圍與臨近臟器組織的三維空間關(guān)系，專家團(tuán)隊(duì)確定切除病患307克的肝臟。在進(jìn)行肝切除時(shí)，專家將模型帶入手術(shù)室在術(shù)中進(jìn)行實(shí)時(shí)比對(duì)，通過調(diào)整3D打印模型并置于最佳解剖位置，為手術(shù)關(guān)鍵步驟提供直觀的實(shí)時(shí)導(dǎo)航，對(duì)關(guān)鍵部位快速識(shí)別和定位；通過精確定位病灶、血管，實(shí)時(shí)引導(dǎo)重要脈管的接合，提高了手術(shù)精準(zhǔn)性，有效降低了手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

 

 
在3D打印手術(shù)導(dǎo)板的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)是手術(shù)取得成功的重要保證。上海逸動(dòng)醫(yī)學(xué)科技有限公司在骨科手術(shù)導(dǎo)板領(lǐng)域運(yùn)用國際上領(lǐng)先的SSM_Knee®技術(shù)，從多張負(fù)重位X光片數(shù)據(jù)進(jìn)行膝關(guān)節(jié)三維統(tǒng)計(jì)學(xué)建模（Statistical Shape Modeling，SSM）及三維力線測量分析，在電腦上模擬截骨平面、人工全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)手術(shù)置換全過程，虛擬化設(shè)計(jì)手術(shù)中實(shí)施截骨的導(dǎo)向?qū)О宀⑹褂冕t(yī)用材料進(jìn)行3D打印。手術(shù)中醫(yī)生只需要將導(dǎo)板貼附于關(guān)節(jié)表面然后實(shí)施定位截骨即可，準(zhǔn)確性高于傳統(tǒng)方法，避免了人為因素，手術(shù)操作簡單，不破壞髓腔。

 

  3D打印康復(fù)器械

 

 
3D打印為矯正鞋墊、仿生手、助聽器等康復(fù)器械帶來的真正價(jià)值不僅僅是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的定制化，更主要體現(xiàn)在讓精準(zhǔn)、高效的數(shù)字化制造技術(shù)代替手工制作方式，縮短生產(chǎn)周期。我們以已經(jīng)實(shí)現(xiàn)3D打印批量定制化生產(chǎn)的助聽器外殼產(chǎn)業(yè)為例。在傳統(tǒng)的方式下，技師需要通過患者的耳道模型做出注塑模具。然后通過紫外線得到塑料產(chǎn)品。通過對(duì)塑料產(chǎn)品進(jìn)行鉆音孔和手工處理后得到助聽器最終形狀。如果在這一過程中出錯(cuò)，就需要重新制作模型。而使用3D打印機(jī)制作助聽器的流程，始于患者耳道硅膠?；蛴∧５脑O(shè)計(jì)，這個(gè)步驟是通過三維掃描儀來完成的。 然后用CAD軟件將掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為3D打印機(jī)可讀取的設(shè)計(jì)文件。 設(shè)計(jì)者可以通過軟件修改三維圖像，及創(chuàng)建最終的產(chǎn)品形狀。EnvisionTec打印機(jī)大約可以在60到90分鐘內(nèi)打印出65個(gè)助聽器外殼或47個(gè)助聽器模型。

 

  3D打印植入物

 

 
由于骨腫瘤、車禍等造成的骨骼缺損、頜面損傷、顱骨修補(bǔ)等，都無法用一般修復(fù)產(chǎn)品進(jìn)行治療，而3D打印產(chǎn)品提供了有效的解決方案， 特別是這些打印的假體都是依據(jù)患者的自身特點(diǎn)進(jìn)行量體裁衣而制造的。

 

 
然而“量體裁衣”這四個(gè)字只是概括了3D打印技術(shù)在植入物制造領(lǐng)域的意義之一。3D打印技術(shù)在該領(lǐng)域的另一個(gè)意義在于，能夠打印出與植入物一體的仿生骨小梁微孔結(jié)構(gòu)，從而有利于人體骨骼的長入。這個(gè)意義在3D打印標(biāo)準(zhǔn)化植入物中也同樣存在。以往骨小梁結(jié)構(gòu)是通過在植入物表面進(jìn)行涂層來實(shí)現(xiàn)的，無法保證假體的長期生存率。2015年由北京大學(xué)第三醫(yī)院張克教授團(tuán)隊(duì)和愛康宜城公司合作研發(fā)的3D打印人工髖關(guān)節(jié)獲得國家食品藥品監(jiān)督管理總局批準(zhǔn)，成為我國首個(gè)獲準(zhǔn)產(chǎn)業(yè)化的3D打印植入物。

 

 
但是常見的植入物3D打印材料缺少多功能性，從而限制了其在治療和修復(fù)骨科疾病導(dǎo)致的缺損中的應(yīng)用（例如：骨腫瘤）。中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所生物材料研究中心在該領(lǐng)域取得進(jìn)展。研究中心主要從事3D打印多功能生物活性陶瓷的研究，用于骨修復(fù)與治療。研究團(tuán)隊(duì)利用3D打印技術(shù)，設(shè)計(jì)出了多種實(shí)驗(yàn)方案，包括利用營養(yǎng)元素，仿生結(jié)構(gòu)和功能化界面以及熱治療， 開發(fā)出新型的兼具治療和修復(fù)的多功能材料。

 

  3D打印藥品

 

 
3D打印技術(shù)對(duì)制藥的影響主要體現(xiàn)在4個(gè)方面：一是可以實(shí)現(xiàn)藥物活性成分的個(gè)性化定制；二是劑量的個(gè)性化定制，為患者提供個(gè)性化治療方案。 這種一層一層的打印方法，可以把不同的涂層彼此緊密地結(jié)合一起，因此可以把某種物質(zhì)的最大劑量置入一粒藥片中。這樣病人可以吞服少量或較小的藥片；三是可以實(shí)現(xiàn)形狀的個(gè)性化定制。 對(duì)于不喜歡吃藥的兒童來講這或許是個(gè)好辦法。通過3D打印技術(shù)打印出各種有趣的形狀，哄寶寶乖乖吃藥；四是通過3D打印技術(shù)使藥物擁有特殊的微觀結(jié)構(gòu)，改善藥物的釋放行為，從而提高療效并降低副作用。例如，在2015年美國食品藥品監(jiān)督管理局 (FDA)己在全球批準(zhǔn)首款完全用3 D打印制作的藥片。這款名為Spritam的藥物由美國Aprecia制藥公司研制，用于治療癲癇癥患者。Aprecia 使用的Zipdose 3D打印技術(shù)最重要的意義就是使藥物能夠在少量的水中迅速崩解高劑量的藥物，這種藥物給發(fā)病時(shí)的患者帶來了極大的方便。

 

  生物3D打印組織、器官

 

 
3D打印在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展時(shí)間點(diǎn)可以用一個(gè)圖表來呈現(xiàn)。其中生物3D打印在圖表上的比重最多：2013－2018年生物醫(yī)用植入物技術(shù)逐漸走向成熟，2013－2022年原位生物制造技術(shù)開始出現(xiàn)并逐漸成熟，2013－2032年，3D打印完整人體器官漸入佳境。

 

 
雖然目前出現(xiàn)的生物3D打印器官并不是功能完整、結(jié)構(gòu)完整的器官，但是它們?cè)谒幬锖Y選測試、疾病的研究領(lǐng)域已經(jīng)開始發(fā)揮作用。普通藥物篩選技術(shù)的臨床轉(zhuǎn)化率低，最佳的藥物測試對(duì)象其實(shí)是人體。但這一做法并不現(xiàn)實(shí)，因?yàn)橐粊砣瞬荒艹袚?dān)藥物初步篩選工作，二來患者個(gè)體差異大，身體結(jié)構(gòu)復(fù)雜。而將人體細(xì)胞在體外構(gòu)建組織后進(jìn)行藥物篩選是一種可替代人體的有效辦法。例如杭州捷諾飛可批量生產(chǎn)的3D打印肝單元，已被默克制藥公司用于藥物毒性測試。肝臟是承擔(dān)藥物毒性的重要器官，對(duì)人工肝的需求量也很大。成人肝臟由50到100萬個(gè)稱作肝小葉的單元組成，肝小葉是肝結(jié)構(gòu)和功能的基本單位，模仿肝小葉結(jié)構(gòu)制備肝單元，是制造人工肝臟的關(guān)鍵步驟。用人源細(xì)胞3D打印的組織和構(gòu)建病理模型，能準(zhǔn)確反映化學(xué)和生物藥物在人體內(nèi)的藥理活性，從而提高藥物篩選成功率。

 

  3D打印與口腔科

 

 
牙齒修復(fù)和治療的成本是牙科診所、實(shí)驗(yàn)室需要考慮重要因素，很多有先見之明的牙科診所、實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)引入數(shù)字化口腔技術(shù)，以提升效率、降低成本。近年來，以軟件設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)的牙科修復(fù)變得普及，很多牙科診所、實(shí)驗(yàn)室或?qū)I(yè)義齒生產(chǎn)企業(yè)都引入了3D打印技術(shù)。結(jié)合了3D打印的數(shù)字化口腔技術(shù)為牙科行業(yè)帶來了精度高、成本低、效率高，以及符合規(guī)范化生產(chǎn)鏈相符的口腔數(shù)據(jù)。3D科學(xué)谷認(rèn)為，包括3D打印在內(nèi)的數(shù)字化牙科技術(shù)更重要的意義在于，減少醫(yī)生手工制作模型、義齒等牙科產(chǎn)品的時(shí)間，將精力回歸到口腔疾病的診斷及實(shí)施口腔手術(shù)本身。對(duì)于牙科技師而言，雖然遠(yuǎn)在醫(yī)生診室之外，但只要獲得患者的口腔數(shù)據(jù)，就可以根據(jù)醫(yī)生要求定制出精準(zhǔn)的牙科產(chǎn)品。3D牙科產(chǎn)品的流程和主要應(yīng)用我們可以通過下面這一張圖來說明：

 

 

dental application

 

  3D打印與醫(yī)療器械制造

 

 
制造醫(yī)療器械與其他產(chǎn)品一樣，在新產(chǎn)品的研發(fā)階段需要制造出產(chǎn)品原型進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證。3D打印是一種經(jīng)濟(jì)、快速的產(chǎn)品原型制造方式，通常使用FDM或SLA等塑料3D打印技術(shù)即可完成快速原型制造，這一點(diǎn)已無需多說。而金屬3D打印技術(shù)在醫(yī)療器械領(lǐng)域的潛力已經(jīng)超越了原型承擔(dān)復(fù)雜手術(shù)器械的制造任務(wù)。例如，在膝關(guān)節(jié)前交叉韌帶損傷修復(fù)手術(shù)中，醫(yī)生首先要去除殘存的前交叉韌帶，然后準(zhǔn)確的替換上移植韌帶。如要保證手術(shù)的精準(zhǔn)和微創(chuàng)，醫(yī)生需要借助一種精密而特殊的手術(shù)工具。

 

 

Danamed_1_collage

 

 
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(jī)加工方式制造該手術(shù)工具的難度很高，而且所花費(fèi)的時(shí)間長、成本高。這種情況下，使用金屬3D打印技術(shù)進(jìn)行制造則更為適合。