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上海3D打印機(jī)：3D打印在醫(yī)療行業(yè)的應(yīng)用

2020-09-28

國(guó)內(nèi)醫(yī)療行業(yè)對(duì)3D打印技術(shù)的應(yīng)用始于上世界80年代后期，最初主要用于快速制造3D醫(yī)療模型，在當(dāng)時(shí)，3d打印技術(shù)主要用來(lái)幫助醫(yī)生與患者溝通、準(zhǔn)確判斷病情以及進(jìn)行手術(shù)規(guī)劃?？梢哉f(shuō)，我國(guó)在醫(yī)療行業(yè)對(duì)于3d打印技術(shù)應(yīng)用的探索起源已久，并伴隨著3d打印技術(shù)的發(fā)展走向深入。

近年來(lái)，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(zhǎng)，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(tīng)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(méi)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。

上海3D打印機(jī)

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(guò)3d打印機(jī)將模型打印出來(lái)，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(lái)越多的手術(shù)開(kāi)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(lái)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(guò)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(guò)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(guò)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(guó)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(cè)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(guò)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(jiǎn)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(tīng)器等康復(fù)器械帶來(lái)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(tīng)器外殼產(chǎn)業(yè)為例。在傳統(tǒng)的方式下，技師需要通過(guò)患者的耳道模型做出注塑模具。然后通過(guò)紫外線得到塑料產(chǎn)品。通過(guò)對(duì)塑料產(chǎn)品進(jìn)行鉆音孔和手工處理后得到助聽(tīng)器最終形狀。如果在這一過(guò)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(tīng)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(guò)三維掃描儀來(lái)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(guò)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(tīng)器外殼或47個(gè)助聽(tīng)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(wú)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(zhǎng)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(guò)在植入物表面進(jìn)行涂層來(lái)實(shí)現(xiàn)的，無(wú)法保證假體的長(zhǎng)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(ài)康宜城公司合作研發(fā)的3d打印人工髖關(guān)節(jié)獲得國(guó)家食品藥品監(jiān)督管理總局批準(zhǔn)，成為我國(guó)首個(gè)獲準(zhǔn)產(chǎn)業(yè)化的3d打印植入物。

上海3D打印機(jī)

但是常見(jiàn)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(guó)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(yíng)養(yǎng)元素，仿生結(jié)構(gòu)和功能化界面以及熱治療，開(kāi)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(lái)講這或許是個(gè)好辦法。通過(guò)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(guò)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(guó)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(guó)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(lái)了極大的方便。

上海3D打印機(jī)

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(lái)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(kāi)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。

上海3D打印機(jī)

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(cè)試、疾病的研究領(lǐng)域已經(jīng)開(kāi)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(cè)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?lái)人不能承擔(dān)藥物初步篩選工作，二來(lái)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(cè)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(wàn)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(jiàn)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(lái)，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(lái)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(wú)需多說(shuō)。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。

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(zhǎng)、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。

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