浅谈3D打印技术在医疗领域中的应用与发展

2020-12-23杨光尹中凡

科学导报·学术 2020年50期

杨光尹中凡

摘要：目前，全球正经历着第三次工业革命，将对制造业的发展产生深远影响，其中一项具有代表性的技术就是3D打印技术，《时代》周刊也将3D打印列为“美国增长最快的十大工业”。近年来，国内的媒体、学术界、制造产业界也掀起了一场关注3D打印技术的潮流，各级政府也不断出台推动3D打印技术发展的政策与计划。本文基于课程学习与文献查阅中对3D打印的认识，着重介绍了3D打印技术的相关内容以及3D打印技术在生物医疗领域的相关应用，展望了未来的发展趋势。

关键词：3D打印;个性化;生物医疗;医疗器械

1 3D打印技术概述

3D打印技术又称增材制造技术（Additive Manufacturing，AM）是通过CAD設计数据采用材料逐层累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的“减材加工”方式，是一种“自上而下”材料累加的制造方式。3D打印技术基于离散/堆积的原理，利用计算机将成形零件的模型分解成一系列一定厚度的“薄片”，然后通过3D打印机从最底层开始由下而上逐层进行加工，最终叠加成实体零件。

根据3D打印所用材料及成形方式，主要可以分为熔融沉积成型（FDM）、立体光固化成型（SLA）、分层实体制造（LOM）、激光选区烧结（SLS）、三维粘结（3DP）、聚合物喷射（Polyjet）、金属激光熔化成型（LDMD）、电子束选区熔化（EBM）等加工方式。

2 3D打印在医疗领域的应用

生物医疗领域是3D打印技术目前扩张最为迅猛的行业，3D打印技术可以为生物医疗提供更完善的个性化解决方案，生物3D打印技术将会促进再生医学领域在人造活体组织和器官的研究。在个性化解决方案方面，主要的应用有3D手术预规划模型、手术导板、3D打印植入物，以及假肢、助听器等康复医疗器械。在再生医学领域，研究人员在利用生物3D打印技术培养人造器官方面取得了值得肯定的进展。目前，3D打印技术在生物医学领域主要有4大应用。

2.1 3D打印医学模型

对于风险高难度大的手术，术前规划十分重要，通过CT、核磁共振（MRI）等影像设备获取患者的数据，是做医生手术预规划的基础，但得到的医学影像是二维的。如果将二维数据利用三维软件转成逼真的三维数据并通过3D打印机将三维数据直接打印出来，既可辅助医生进行精准的手术规划、提升手术的成功率，又方便医生与患者就手术方案进行直观的沟通。

2.2 3D打印制造医疗器材

手术导板是将手术预规划方案准确的在手术中实施的辅助手术工具，在多个学科都有应用，例如：关节类导板、脊柱导板、口腔种植体导板，还有肿瘤内部内照射源粒子植入的导向定位导板等。3D打印导板是三维的，根据对患者骨骼的扫描数据生成，可以让医生获得最真实的信息，从而更好地规划手术，并且制造成本也不高，即便普通患者也负担得起。

假肢、矫形器等康复辅具同样具有小批量、定制化的需求，并且设计较为复杂，传统数控机床在此方面受到诸多因素的限制，3D打印技术为制作个性化康复辅具提供了更合理的制造方法。

2.3 3D打印用于组织功能的产品

一些植入物是通过铸造或传统的金属加工方法来制造的，需要首先制造出模具，对于只需要一件或者少量的植入物来说，单件生产成本十分昂贵，再加上具有生物相容性的植入物材料本身的高价格，骨科植入物的总制造成本很高，对于结构复杂的特殊植入物，传统技术也难以实现。而3D打印技术用于制造骨科植入物，可以有效降低定制化、小批量植入物的制造成本，可以快速、便捷的制造出更多结构复杂的植入物。

很多牙科诊所、实验室已经引入数字化口腔技术，以提升效率、降低成本，结合了3D打印的数字化口腔技术为牙科行业带来了精度高、成本低、效率高，以及符合规范化生产链相符的治疗方法，利用3D打印技术制造患者牙齿模型可以用作模具并使用传统方法辅助生产牙冠、假牙等。另一种作用与骨科、肿瘤手术3D模型类似，用来模拟、规划手术过程，或与患者沟通手术过程。

2.4 3D打印活体组织和器官

之前提到的3D打印的定制化假肢、牙科、骨科植入物、助听器外壳等医疗器械都属于“初级阶梯”使用金属、塑料等非活体组织材料，而打印血管、软骨组织这类单一的活体组织属于“中级阶梯”，3D打印的人工肝脏、心脏等人工器官则属于“顶级阶梯”。无论是人造血管、软骨组织，还是肝脏组织、肾脏组织，其核心是特定类型细胞的分离（或定向诱导）及大规模扩增，而生物3D打印技术，在人工组织、器官培养过程更多承担了三维形状的构建，即让人体细胞按照预先设计好的形状来生长，因此人造器官、组织的发展更大程度上取决于生物技术的发展。

3 3D打印技术在生物医疗领域的优势

3D打印技术具有自由成型的特点，能快速准确的制作出定制化的内植入物，不仅缩短了患者的等待时间，提高了治疗效果，同时还解决了传统通用内植入物修复时形状不匹配，力学性能差的问题。

3D打印技术在制造多孔内植入物和有复杂围观结构的复杂内植物方面具有独特的优势。以上两种内植物是解决普遍存在的应力屏蔽现象和生物活性低的问题的有效途径。因此，3D打印技术在个性化的骨科修复手术与医疗器械的制造中具有重要作用。

与传统生产不同，可以根据病人的需求使用3D打印机制造出特别的或定制的产品满足治疗要求。同时，患者所需的物品可以按需就近生产，并且零时间交付。这将最大限度的减少长途运输的成本，节约急症患者的救治时间。

4 总结与展望

在我国生物医疗行业中，3D打印技术已经在体外医疗器械制造和个性化永久植入物方面都有了一些应用，供产品设计的医疗模型和指导手术的导板装置也已使用多年，但在生物3D打印方面，我国仍还处在实验阶段。

要促进3D打印技术在生物医疗行业的广泛应用，还有以下几点要做，一要鼓励发展拥有自主知识产权的3D打印机和专用配套材料，二是加强计算机辅助设计人才的培养，三是政策上的支持，比如鼓励使用并推广这项技术，同时严控质量，包括完善医疗器械监督管理条例、加强行业管理和规范，鼓励创新和临床转化。

参考文献

[1] 卢秉恒，李涤尘.增材制造（3D打印）技术发展[A].机械制造与自动化.2013

[2] 张惯石，翟为.三维打印技术及其在医疗领域的应用[J].中国医疗设备.2014

[3] 张学军，唐思熠，肇恒跃，郭绍庆，李能，孙冰冰，陈冰清.3D打印技术研究现状和关键技术[A].材料工程.2016

[4] 杨锦武.3D打印技术医疗领域的应用.2016