3D打印技术及其在医疗领域的应用

沈启航

【摘 要】：在各种新型医疗技术的应用中，3D打印技术在制造医疗器材与辅助医疗手术方面具有传统工艺无法比拟的优势。不同于传统制造技术，3D打印是指按照指定模型通过增加材料的方式进行模型和产品制造的方式，在健康中国战略的引领下，3D打印技术必然会发挥越来越大的作用。本文对3D 打印技术的发展历程以及在医疗领域中的具体应用进行综合概述，同时分析了其在医疗领域中的优势和目前存在的不足之处，对3D打印在医疗领域的进一步研究有一定的借鉴意义。

【关键词】：3D打印；医疗；牙齿修复

【中图分类号】R782.2 【文献标识码】A 【文章编号】1005-0019（2019）05--02

1 引言

随着时代的发展，普通制造模式愈发显示出自身固有的缺点：减材加工的材料浪费，制造复杂产品的局限性，加工产品的单一性等等，于是能够克服这些缺陷的3D打印技术便应运而生。自从1986年第一台商业3D打印机出现以后，经过材料工艺和制造工艺的不断提升，现在的3D打印技术效率高、成本低、高灵活度、缩短产品研发周期等优势，广泛地应用于航空航天、医疗、工程建筑等生产生活领域。

2 3D打印技术

2.1 3D打印技术概况

区别于传统制造方式，3D打印是一种典型的增材制造技术，主要通过材料的堆积来完成产品的加工[1]。3D打印技术相对于其他的传统制造技术而言，具有如下优点：首先，其不需要传统的夹具、机床或任何模具，只需要3D打印机就能直接把计算机的三维CAD图形生成实物产品，这大大降低了购置设备的成本。另外，3D打印能在较短时间内成形，它让设计人员和开发人员实现了从平面图到实物的转变，从而缩短产品研发周期。其和传统制造的对比如表1所示。

2.2 3D打印技术发展

3D打印技术发展史可以追溯到1892年，使用层叠成型方法制作地形图的构想首次被提出。1940年，材料学家提出可以沿等高线轮廓切割硬纸板然后层叠成型制作三维地形图的方法。1986 年，出现了世界上第一台商业的3D打印机，1992年，美国人赫利塞思发明层片叠加制造技术。1993 年，麻省理工学院获3D 印刷技术专利，接着2007年的开源3D打印桌面设备的问世更是掀起了3D 打印技术新的发展高潮。然后2012 年，人类首次利用3D打印制造出活体的人造肝脏组织，并用于代替患者的肝臟。2018年9月美国海军陆战队使用混凝土3D打印机打印了军营，2018年9月17日中国的激光增材制造高强高损伤容限钛合金大型高效能整机构件技术在世界粉末冶金大会暨展览会上获大会产品奖。3D打印在国内外的高速发展和市场规模都预示着其将成为改变人类未来制造方式的新型制造技术。

2.3 3D打印技术分类

目前3D打印的技术主要分为三种，分别是FDM：融化沉积成型，其主要材料ABS塑料；SLA：光固化成型，其主要材料光敏树脂；DLP：数字光处理成型，其主要材料光敏树脂。

（1）FDM为融化沉积成型，其主要原理是在加热融化膛中将材料加热为液态，使液态物质从给丝头上被挤出，挤出的材料会快速固化成精密的薄层，覆盖于已建造的零件之上，并在外界环境中快速凝固。每完成一层成型，工作台便会调整自己的高度，给丝头继续重复喷丝过程，这样逐层堆积成一个实体模型。

（2）SLA为光敏树脂选择性固化，是采用立体雕刻原理的一种工艺，放在槽中的液态光敏树脂，在特定波长的紫外激光束的照耀下，光敏树脂会快速固化。可移动的工作台处于特定的位置，汇聚后的紫外激光束进行扫描，得到该截面形状的实体薄片。接着，工作台层层下降，重复固化光敏树脂的过程并且置于上一层薄片之上。最后的步骤便是取出工件，进行清洗，干燥等处理。

（3）DLP为数字光投影技术，与SLA有许多相似之处，但其最大的不同是使用了投影仪的数字光源，在扫描时比SLA更快。

三种技术的对比如表2所示，1、2、3分别代表等级，1为最佳。

3 3D打印在医疗领域的应用

3.1 手术规划模型

在一般的大型手术之前，通过CT、核磁共振等手段对于患者的病情进行更精确的诊断，得到患者病灶的模型，对于医生手术策划和执行是十分重要的。常规的手术影像材料都在2D平面中呈现，如果想要立体的三维数据，需要经过大量的复杂计算，不利于快速分析病人的病情。而通过3D打印机可以将直接制造出相关所需的三维模型，这样可以有效帮助医生进行规范化的手术策划，提高手术成功率。在术后，该手术规划模型可以作为证据，有助于解决医患纠纷。[2]

3.2 手术导板

手术导板是手术中的重要器材，主要用于辅助手术用，例如支撑关节的关节导板、固定脊柱的脊柱导板、用于口腔手术的口腔种植导板等。一般情况下，手术导板需要为特定的病人定制，价格昂贵。通过引入3D打印技术，可以对病人的需求进行分析，从而快速制造出病人所需的手术导板。这种技术的运用可以有效提高手术精度并且缩短手术准备时间，同时对于远程实时手术的普及具有重要的意义。

3.3 植入物

植入物是医疗中植入患者体内的医疗器材，运用3D打印技术，技术人员通过医院提供的用X射线、核磁共振、CT等手段获取的患者信息，再通过电脑CAD软件，自动生成出患者的植入物模型，将此模型输入3D打印机中，采用FDM技术加工出1：1的生物植入物模型，用于手术。在实际操作上，医生可以借助金属粉末在激光照射下的融化对植入物进行打印，或是使用树脂材料对植入物进行打印[3]。

3.4 康复医疗器械

与3D打印航空航天高级零部件和豪华车辆的定制零部件类似，在医疗领域，消耗最多的往往是用于替换的假牙、假肢以及各种器官，这些器材的设计十分复杂，传统制造模型已经不能满足于个性化的器材生产。类似于植入物和手术导板，大部分医疗器械都可以通过3D打印精准地制造，灵活性更佳。

3.5 牙齿修复

牙齿修复和治疗的成本是牙科诊所需要考虑的重要因素，因此能提升效率、降低成本的数字化口腔技术便走进了人们的视野。近年来，随着牙科修复的发展趋势转向借助软件设计与个人定制模型，所以很多牙科诊所引入了3D打印技术。结合了3D打印的数字化口腔技术作为现在最新的发展方向，专注于牙科周边器材的定制，为传统的牙科行业带来了核心优势，同时也收集与运用了大量的患者数据。因为没有像传统的工作方式一样完全凭借经验进行制造，这种技术在很大程度上减轻了患者就医中的痛苦。[3]在牙科行業常用到的3D打印技术主要有：光敏树脂选择固化技术（SLA）、选择性激光熔化技术（SLM）、喷墨打印技术（poly jet），在实际手术中，需要结合不同的牙齿部位选择不同的3D打印材料和技术。

4 3D打印技术展望

虽然已经有了近几十年的发展，但是3D打印技术目前还存在许多问题，例如主体设备便携性差，系统太过复杂，可维修性较差；3D打印目前主要集中在塑料和复合材料的制造，强度和耐热性普遍性较差，不能适应复杂的工作环境。针对普遍存在的问题，3D打印技术的未来将有以下发展趋势：首先，在3D打印技术的大方向上应深入研究开发基于激光以外的其他3D打印技术，如基于电弧3D打印、等离子3D打印技术，可以有效扩展3D打印产品的种类；其次，在3D打印技术的设备上应加快开发具有多种类，高精度、设备便携型好的3D打印设备；最后，在3D打印技术运用的过程中可以开发3D打印视觉系统，通过增加景深和对比度，强化系统的感知能力，从而及时有效地获取、处理与识别3D打印所使用的粉末与丝材的信息，进一步提高生产效率。[4]

参考文献

赵静， 常文龙， 刘永刚， 等. 磁共振弥散张量成像对临床早期脑梗死的诊断价值[J].中国综合临床， 2014，30（11）：1166-1168

尹海军， 冯天鹰， 郭耀霞. 3D打印技术应用于心血管疾病精准医疗的临床进展[J]. 心肺血管病杂志， 2017， 36（7）：602-603.

赵莹雪.3D 打印技术在医疗器械设计应用中的法律风险[J]. 现代经济信息，2017，61（30）：267.

赖炎鑫， 朱鹏志.3D打印在医疗器械领域中的现状及前景展望[J]. 中国医疗器械信息，2017，29（10）：112-114.