增材制造（3D打印）医疗器械质量控制点的研究

徐小虎 时洋 严晓洁 江苏省医疗器械检验所 （江苏 南京 210019）

增材制造（3D打印）医疗器械质量控制点的研究

徐小虎 时洋 严晓洁 江苏省医疗器械检验所 （江苏 南京 210019）

增材制造（3D打印）作为一种新兴技术，在各行业得到广泛的应用。该技术在医疗器械领域亦得到高度的重视，由于其快速成型、个性化等特点，在齿科、骨科等已从研究阶段开始向临床应用快速发展。由于增材制造工艺涉及影像、软件、材料等众多学科领域，所以需要对工艺中各环节进行质量控制，本文就增材制造工艺流程，整理质量控制点，以供质量体系考核和质量检验工作提供参考。

增材制造 质量控制点

医疗器械增材制造是一个从临床到制造、再到临床的过程，包括影像获取、产品设计、格式转换、材料控制、打印加工、后处理和检测验证七方面的过程。每一个环节都会对最终产品造成决定性的影响，所以针对每个环节都应该有相应的规范和标准，包括质量体系和检验方法[1-3]。

1.影像获取

影像获取环节是通过CT、MRI等临床诊疗手段获取病患部位三维数据模型。

增材制造的数据基本都来自于医学成像设备，但并不是所有的成像设备都能提供所需的解剖学匹配度或成像精度，有很多因素可能影响增材制造的精确度，包括：图像质量和分辨率、平滑处图像处理算法、清晰的病患标识等。同时影像获取后病患部位的变化也有可能影响最终产品用于病患的匹配性，所以影像获取也应考虑病患部位的变化，以及影像的有效期限。

影像获取是增材制造医疗器械的输入文件，在体系和检验检测中都不属于制造商可控制部分，但制造商应该对此做出要求，以保证输入的准确性。

2.产品设计

产品设计环节是接收模型后，对预制造产品进行软件和工序上的设计，是整个增材制造过程中最重要的一环。

增材制造产品的设计，是一个涉及多学科多工艺的过程，尤其是对于设计人员的要求，需要结合不同学科的人员和团队，包括临床医学、材料学、结构力学、图像处理等。设计者可以是一名跨专业人员，也可以是一个多专业团队，无论如何配置，都需要对其设计过程的文件文档进行严格的规范和考查，以保证产品安全可靠。

产品设计的第一步应该是确认临床需求的产品是否符合增材制造（3D打印）的特性，适合哪一种增材制造方法。增材制造是一种新型的加工工艺，有其独特的优势，但由于技术的有限性，也存在其缺点，必须扬长避短，不能盲目使用。其次是进行结构设计，包括产品本体形状设计、打印方向设计、批处理设计（一次成型数量和位置）、打印参数设计、以及最后需要去除的非产品结构部分设计。所有的设计过程和记录应形成文件，以此来跟踪产品质量、分析风险、回溯过程。

虽然每个不同产品的设计都是独立的，尤其是定制式产品，但在设计验证方面必须进行典型产品和最不利产品验证，包括最不利产品结构、最不利加工位置等，并在制造前进行比较确认。

3.格式转换

增材制造医疗器械生产过程中所涉及的软件通常来自不同软件商，在软件流转中就需要考虑软件文件的兼容性，以保证文件在不同的软件程序使用时不会出现混乱。这些文件包括影像获取时CT/MRI成像文件，产品设计用软件文件和打印制造机器文件等，每个文件都有自己的标准，在文件格式转换时，产生的误差和失真就有可能对最终产品的质量产生巨大风险，甚至直接导致产品制造失败。所以当制造过程存在格式转换时，应考虑其风险性，并通过验证，证明相关转换工作的可靠性。

4.材料控制

作为一种新型生产工艺，增材制造医疗器械对生产原料的要求极其严格。一方面材料必须适用于增材制造工艺，满足与打印制造设备相匹配的参数，例如粒径和粒径分布（粉末）、直径和均一度（丝材）、液体黏度和黏弹性、高分子的玻璃化转变温度、金属纯度等。更重要的一方面是必须满足医疗器械临床和法规的要求，包括物理力学和结构表征、结构和制造缺陷、化学成分和夹杂鉴别、显微结构和交联程度等。针对增材制造医疗器械，需要进行全面的生物相容性评价，不仅包括常规的评价项目，还需要对其材料制造的成品进行长期溶出和对组织生长的诱导作用，进行进一步的研究和评价。

增材制造中一般会重复多次使用材料，重复利用的材料的性状与未被重复使用的有可能会发生较大变化，如果器械制造商使用重复利用的原料，应对其进行分析和验证，控制使用重复材料的产品的性能，并形成相关的流程和确认文件。

5.打印加工

增材制造打印设备的可靠性和参数的设置直接关系医疗器械成品的质量，复杂的控制软件和众多的参数都是保证目标产品性能需求的关键。医疗器械制造用增材制造设备与普通工业用设备相比较，参数的选择和软件的控制应更为严格。作为医疗器械用打印机，应明确预期影响产品性能的指标参数，如打印精度、表面粗糙度、成形大小等，以供器械制造商根据需求选择不同参数设备。

同时作为医疗器械产品用制造设备，打印机必须采取相关保护措施，避免自身或外界有害物质污染最终产品，例如，对直接接触产品的配件选取相容性好的材料、设置隔离环境保护打印时不会掺杂进其他外界有害物质等。

6.后处理

增材制造医疗器械的后处理包括热处理、表面处理、非产品结构部位清除、深度机加工、以及清洁和灭菌。与常规制造不同，增材制造的后处理对最终产品质量有非常大的影响。由于增材制造逐层加工的原理，使其在打印制造成型后，存在很多缺陷和风险，例如成型过程中的不确定性、产品机构的复杂性、多孔或沟壑结构中的残留材料等，都有可能造成最终产品的风险。相比较其他环节，后处理除了增材制造的共性化要求，存在更多针对最终产品的个性化要求，所以器械商应该加强对后处理的重视程度，根据自身产品明确后处理工艺流程，做好检验和验证工作。

7.检验验证

增材制造医疗器械的检验和验证工作相比于常规医疗器械，更加复杂。无论是批量化产品或是个性定制产品，样品代表性和破坏性试验的问题增加了抽样检验的难度，所以在整个制造工艺流程中，验证和确认更多地代替了产品检测，这也增加了风险。

验证应贯穿于增材制造全流程，充分挑战所有材料、结构和参数的极限不利状态，而不能只针对理想和常规状态进行检验。除了结构、位置等可控参数的验证，对工艺流程中的不可控参数也必须进行验证，例如，材料的参数偏移、特殊不利环境造成的成型偏差（温湿度、洁净度）、打印设备参数变动造成的偏差（电压、激光部件寿命等）。

所有验证工作不仅需要详细的设计和记录，更重要的是验证参数的可确认性。例如，验证设计中规定了材料的一些理化性能，并通过第三方检验机构进行确认，但这些理化性能在实际制造过程中无法快速确认，甚至无法确认参数，那么无论该验证所针对参数对制造有何等重要性，无法落实到确认就没有任何的意义。

检验分为非破坏性和破坏性试验。非破坏性试验主要包括一些尺寸、外观，也可以通过CT/X射线等手段进行深入检验，这些检验可能在要求上无法做到精确定量，但必须做到检验的有效性，必要时应有图片或标准件比对，以把握判定尺度。破坏性试验就涉及到抽样的问题，所以需要在批量制造过程中，另外增加制造检验用样品，一方面保证材料和参数的统一性，另一方面需要保证结构和位置的代表性或者最不利性，同时保证足够的试验数量。

8.其他要求

随着增材制造在医疗器械制造方面的发展，新的应用和新的风险会不断涌现。增材制造医疗器械产品与药品的结合、在诱导组织生长的应用、多种材料复合制造等，都会对增材制造工艺产生进一步的延伸，会对检验验证提出新的要求。

9.总结

总的说来，增材制造医疗器械的质量控制需要同时重视质量体系和质量检验工作，其制造安全性建立在大量的文件记录和检验验证，与常规生产工艺医疗器械相比，需要在体系标准建设和产品标准建设投入更大更多的人力和精力，需要政府、制造商、供应商和研究机构通力合作，控制增材制造医疗器械产品的质量，充分发挥新技术新工艺的作用，保证临床有效性和安全性。

[1]王安琪,冯晓明,杨昭鹏,等.3D打印在医疗器械领域的应用现状及展望[J].中国医疗器械信息,2014,20(8):1-7,33.

[2]张阳春,张志清.3D打印技术的发展与在医疗器械中的应用[J].中国医疗器械信息,2015,21(8):1-6.

[3]王安琪,柯林楠,黄元礼,等.3D打印医疗器械标准现状和产品质量控制研究[J].中国医疗器械信息,2017,23(3):25-29.

Research on Quality Control Point of Medical Instrument by Additive Manufacturing (3D Printing)

XU Xiao-hu SHI Yang YAN Xiao-jie Jiangsu Medical Devices Testing Institute(Jiangsu Nanjing 210019)

As an emerging technology, additive manufacturing (3D printing) has been widely used in various industries. The technique has been highly valued in the field of medical devices, and due to its rapid prototyping and personalized characteristics, it has been developing rapidly from the research stage to the clinical application. Due to the increase of material manufacturing process involving video, software, materials, and many other fields, so need to quality control of process each link, in this paper, the material manufacturing process, quality control points, to provide reference for assessment of the quality system and quality inspection.

additive manufacturing,quality control point

1006-6586(2017)19-0006-02

R197.39

A

2017-08-11