3D打印技术影响下对残疾人的辅助设计

赵一凡

摘要：近年来，对3D打印技术的研究越来越多，随着对3D打印机打印算法不断提高和打印材料的不断更新，3D打印已经可以应用到越来越多的领域了。而这其中应用最多的领域和发展最迅速的领域要数医学领域。基于医疗的3D打印可以帮助各种残疾人进行骨骼修复和个体化假肢定制等，发展前景很广泛。

关键词：3D打印；残疾人；辅助

3D打印技术又称为快速成型技术，就是指3D打印技术可以通过计算机制定的模型进行精确的制造，这是目前3D打印技术树的应用领域。而这项技术对残疾人辅助作用的提高可以说前景广泛。我们可以通过精确的计算对残疾人量身定做合理的假肢或者辅助器械，由于3D打印成本低廉、制造模型由电脑控制、精准无误、材料选择可以对人体无害等，越来越多的打印技术已经应用到实践中，发展前景十分广泛。

1 3D打印的原理和过程

1.1 3D打印的原理

传统的模型构建需要经过图像分割、几何重建、网格生成和材料的选择等。而3D打印技术基本上可以分为以下几步：首先是进行三维模型的设计，即在医学领域我们通过会患者进行断层扫描技术进行立体的分层扫描，以便获取需要进行构建部位的立体信息，然后对扫描得到的信息进行数据分析，通过相应的辅助设计软件进行设计，从而得到需要建模物体的立体数据和三维模型。第二个步骤则是进行切片处理，即通过对物体3D模型的断层分析实现对需要打印物品的数字化，以便打印机能够读取识别模型。最后一步则是实施3D打印的操作，即将所需要的材料的数字格式输入到3D打印机，打印机可以根据输入的数据选择相应的材料进行精准的逐层打印，所打印出的物体和模型物体能够达到一致。

1.2 3D打印的方法

3D打印技术根据耗材和技术原理的不同，可以分为熔融沉积法、激光烧结法和光固定法等方式

1）熔融固定法是指利用高温将打印材料在高温下融化成液体的状态，这些经过高温加热后的液体通过打印机的喷嘴口喷出之后会迅速的冷却然后固化。固化后的材料外层再继续打印固化，通过层层的叠加不断地打印最终能够形成符合要求的实物。这种方式打印的优点就是可以使用多种材料进行打印，而且对打印机工作的环境要求也不高，常温常压下即可进行打印操作。其缺点是成型的材料受到温度和环境以及其他因素影响较多，因为表面会比较粗糙，甚至会与模型有一定误差，而且如果打印大型材料则需要支撑。

2）激光粉末烧结法则是将需要打印的材料平铺在打印成型台上，然后通过高强度的激光扫描在平台上扫描出打印模型的截面，然后再进行平铺粉末和打印截面操作，如此反反复复，最终能够打印出需要的材料。这种打印方式同样适用于多种材料，而且可以打印特殊复杂的模型。而且通过这种方式可以一次形成多个模型。缺点是容易产生粉尘。

3）光固定法则是指通过利用光敏材料进行打印。这种方式是在打印平台周围设置一个液体的凹槽，里面装满了光敏材料，即通过紫外线照射可以固化的液体。每一层固化之后则将平台向下移动然后进行下一层的固化，如此反复。这种方式类似于激光法，同样可以打印复杂的材料，而且精度高。但缺点是材料选取单一，而且材料价格昂贵。

可以说3D打印技术通过不断发展和完善，已经可以应用不同的打印材料和打印方法进行不同方式的打印，隨着技术的发展和打印算法的完善，我们可以在时间和成本可控的情况下打印需要的材料，具有十分广泛的发展前景。

2 3D打印对残疾人的辅助作用

2.1身体残缺处的弥补

利用3D打印技术对人体内需要修补和替换的骨骼部位进行修复已经是目前常见的医疗方式了。因为骨骼没有生命力，形状固定，因此比较容易通过人工材料进行合成，是目前最适合进行3D打印的方式。目前3D打印假肢是国际上公认的合理的应用方式。由于残疾人的病变部位和残缺部位都不会完全相同，因此很难生产统一的模型进行修改，3D打印技术的出现改变了这一难题。我们可以通过传统医疗的断层扫描技术得到的患者病变的图像进行分析，然后通过分析数据得到每个患者各自的所需要的打印部位的精确数据。我们只需要选取合适的材料，将得到的打印数据进行精确地打印即可得到适合患者的残缺部位替代品。

目前，3D打印技术已经在临床上引用到了手术的辅助治疗。并研究了如何将CT三维重建设计和3D打印的导板应用到手术中，这种方式可以提升手术的安全性。目前3D打印在个性化骨科植入手术和膝关节置换手术等都已经采取了临床的应用。传统的置换手术通过手术器械进行定位，这样的定位方式即使是经验丰富的医生也难免会产生误差，而利用计算机辅助定位可以将误差大大减小。此外3D打印技术也成功应用于儿童假肢的制作，这种方式能够满足儿童假肢的特殊性和良好固定性以及轻便性质。2014年科学家和医生通过共同的努力成功将通过3D打印的假肢应用到一名5岁先天性残缺手臂的女童上。

2.2贴身护具的制作

残疾人可以通过护具和衣服等贴身用品实现对身体残缺部位的弥补和保护。传统的残疾人采用石膏进行骨折后部位的固定，采用护膝等就行关节的辅助保护。而这些器械如果采用3D打印技术进行扫描和制造，不但能够产生比传统保护器具更加精确、更加适合患者的保护用具，而且材料的选择可以更加广泛。我们可以根据不同的患者和不同的部位以及病变的严重情况选择合适的材料进行打印。目前很多公司正在研究不同的新型打印材料和打印算法，以便产生更加精确和更加适合残疾人的3D打印技术。

2.3残疾人周边生活用品的制造

残疾人对于其使用的商品通常具有特殊的要求。而针对这一类患者往往很少有公司和制造商为其制造特殊的用具，而3D打印技术发展之后我们可以用十分低廉的价格生产适应不同残疾人的生活用品。例如对于手臂有问题的残疾人客户，我们可以通过制造带有弧度或者加长的勺子让其方便使用。而对于手部操作困难的用户，我们可以通过生产具有丰富纹理的碗等用具或者生产符合每个残疾人使用尺寸的产品来提高残疾人的生活质量。这些方式在以前如果实现定制，需要一个生产商特殊的定制，十分困难而且价格昂贵。而3D打印可以使这些东西简单廉价的生产。

此外我们还可以定制适合残疾人的其他用品，如床、桌子和厨具甚至地板等。有了3D打印技术，这些商品都可以根据实际需要进行定制和生产。传统的产品生产需要设计师进行模型的设计并输入机器，然后在生产线进行生产，如果不是批量投入生产，需要占用特殊的生产线进行生产，代价十分高。而3D打印技术的出现可以很轻易的实现模型的设计和生产，只需要3D打印机简单的工作几分钟，便可以得到需要的用具。

3 3D打印技术对残疾人辅助作用的发展前景

3D打印目前不仅仅可以通过以上辅助措施帮助残疾患者更好的生活。在现在的研究中3D打印技术已经向着生物3D打印技术领域进行该研究。如进行细胞3D打印的研究，目前已经可以打印出有着高达90%存活率的细胞进行长达四个月的生存，这一技术应用广泛，如再生医学、组织工程和癌症的研究等都提供了新的发展方向。

3D打印技术还有一个重要的应用发展方向就是人体组织器官的研究，可以通过打印人体器官，为构建和修复组织器官提供技术支持。现在的医疗条件下，平均100名需要进行器官移植的患者只有一个人能够等到可用的符合患者的供体。而有了3D打印技术，用其来打印器官，不但能够解决供体不足的问题，还能够避免了器官之间的排异现象的发生。随着该技术的不断发展，未来人们通过更换器官进行病变的治疗就成了可能。

再生医疗是一个飞速发展的科技领域，是未来医疗发展的一个重要方向。但由于人体器官的复杂结构和功能，以往的技术难以制造出功能完善的替换器官。虽然诸如牙齿、髋关节等骨科替换产品已经相当完善，但是由于特种陶瓷和钛合金等没有排异反应的生物相容性材料加工难度很高，所以相关的人体器官置换费用高昂。对于含有丰富血管和神经组织的器官，现阶段还只能依靠异体器官移植来解决，远不能满足实际需要，并且涉及伦理和法律方面的诸多问题。而3D打印技术的发展不仅解决了生物相容材料的加工问题，同时也开始向着直接打印复杂生物组织的方向发展。近年来已经有研究团队通过3D打印技术，配合人体干细胞的研究实现了诸如肾脏等主要器官的制做。2010年澳大利亚Invetech公司和美國Organovo公司合作.尝试以活体细胞为“墨水”打印人体的组织和器官。在可以预见的未来，我们可以通过3D打印技术将我们自身的干细胞制成没有任何排异反应的替换器官，并且可以完美的还原我们自身的器官形态，这将使人类医疗史和生物工程史上的巨大进步。

4结论

目前的3D打印技术有优势也有劣势，所以将其成功地应用于骨科的各个领域仍有很长的一段路要走，而一旦成功应用，将具有传统手术方法无法比拟的优越性。随着其技术的发展，在不久的将来很可能会逐步实现组织工程支架、植入物、人工关节、假肢等的私人定制，甚至可以使基于3D打印技术的生物组织、器官再生成为可能，3D打印技术给人类带来无尽的想象和可能。

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