基于3D打印技术的医疗产品设计应用与研究

袁云帆 古蔚博 唐卫东

（1.南华大学松霖设计艺术学院，湖南 衡阳421001；2.南华大学附属南华医院，湖南 衡阳421001）

0 前言

3D打印技术是一项颠覆性的技术革新，在全球引发了科技技术革新的狂潮。全球的制造业因为这项技术而发生质的改变。3D打印技术作为一种新型制造技术，在各个领域都有广泛应用，尤其是在医疗设备设计方面。因此在实际工作中需要充分利用3D打印技术来优化产品的生产模式，转变以往工作中的局限之处，贯彻落实个性化和人性化的工作理念。

1 3 D打印成型技术特点

3D打印技术区别于传统医疗设备设计技术的突出优势就是对传统局限性的突破，在成本上也有一定的优势，能够有效降低成本，低成本能够使更多的人在治疗上获益。因为3D打印技术的成型方式是叠加的，因此，该项技术具有别的打印机技术所不具备的优势，即不需要关心生产方式的局限性，只需要关注设计物品本身的空间感，以及空间层次感。这种技术上的突破不仅能够使医疗产品的设计具有现代科技的先进性，同时促使设计师在设计思维上也有很大的突破。3D打印具有以下特点。

1.1 个性化

3D打印技术的最大优势就在于输出产品的个性化，每一件产品都带有个人气息，客户可以根据自身的需要进行个性化定制。尤其是对于医疗产品来说，每一位患者的需求不同，因此，可以依据病情和实际需要为患者定制个性化产品。

1.2 效率高

在技术应用的过程中能够解决以往传统制造中的问题，例如，在机械加工和零件配备方面的矛盾，通过3D打印技术能够完成一体化的成型，减少不必要的时间，尤其是在面对一些复杂产品的生产时优势是非常突出的。另外，在应用时还可以根据实际需求进行打印，按照就近的原则，避免出现资源浪费的问题。

1.3 成本低

3D打印技术有着传统打印技术所不具备的成本优势，采用的材料是粉末状的基础制造材料，这样的打印方式可以减少很多原材料的浪费，材料利用率高。

同时在运输上更加方便，能够有效节约运输成本。

2 基于3 D打印技术的产品设计方法

2.1 用户需求深入化

在技术投入使用之前，数据上要尽可能的完备，因此前期调研是关键，基于产品的基本特性与用户需求是产品应用的最终目的。首先确定问题、分析原因并确定用户的实际需求。在搜索过程中，设计人员需要尽可能优化遇到的问题，并为每个较小的问题制定设计要求[1]。

2.2 产品功能定制化

在产品功能定制化方面，要贯彻落实人性化的原则，多方面地关注用户对于设计的需要，也可以按照单独用户的需求进行定制，将客户的理念放在首要的位置。例如，利用3D打印技术能够有效解决长期卧床病人生褥疮的问题，但是，该项方案并不适用所有的住院病人，具有病情特殊性。因此，在产品功能定位中，要更具有针对性，才能更快、更好地解决用户问题。

2.3 使用方式多样化

3D打印技术在日常运用的过程中能够转变以往设计的局限性，通过增加工艺的思维提高后续设计的效果，同时还可以实现设计人员工作模式的全面转变，充分的发挥3D打印技术的优势，使设计人员能够在产品的早期阶段独立思考，测试满足其功能的多种产品使用模式，并选择最方便、最经济的解决方案，而无须考虑传统的生产流程、研发成本和产品质量[2]。

3 3D打印技术的医疗产品设计应用

3.1 个性化定制人工骨骼

个体在骨骼方面的差异是非常突出的，个体人工骨在临床应用中尤为需要。比如，比利时哈塞特大学的BIOMED研究所为患者打印并移植了下颌激光3D打印技术[3]。采用数字设计内固定方案在三维模型上打印断裂模型和钢板模型，结果表明，结合数字化的3D打印技术，能够为临床骨折的治疗提供全面的帮助，如可以提高骨折的固定效果。一些特殊的骨折部位不能用一般修复产品来治疗，而3D打印产品则提供了根据患者特点的有效解决方案。另外，3D打印技术还能够打印与嫁接相集成的仿生骨微孔结构，有利于人体骨的生长。

3.2 人造器官

3D打印人工器官打印机分为三类：喷墨人工器官打印、微挤压人工器官打印和激光辅助人工器官打印。这三种类型的打印机在打印再生组织和器官方面各有优缺点。在2019年5月，《科学》杂志封面报道，在美国的华盛顿大学研究团队中，通过水凝胶3D打印出的肺模型，能够和人们的血管和气管进行相互的匹配，构建相同的网络结构能够像肺一样朝着周边血管输送氧气，完成“呼吸”过程。

3.3 医疗器械

金属3D打印技术是医疗器械的一场创造性技术“革命”，该技术在医疗器械领域的潜力已经超过传统意义上的机械制造。如在膝关节前交叉韧带损伤修复手术中，如要保证手术的精准和微创，医生需要借助一种精密而特殊的手术工具，制造这种工具的镍—铬—铁合金是一种难加工材料，使用传统的机加工方式制造该手术工具难度很高，而且所花费的时间长、成本高。这种情况下，使用3D打印技术进行制造则更为适合。

3.4 药物个性化制作

在传统医药行业发展的过程中，在微观控制方面的调节能力并不是那么的突出，产品中药和重要的辅料是通过混合和包衣的方式进行操作的，因此，在这样的技术背景下，难以设计复杂的制剂形态。药物的3D打印便于药物的个性化设计，目前的药量已经标准化，很多患者需要打破片剂来获得所需的量，因此标准化的药量不能满足所有患者的需要。在技术应用的过程中，可以通过修改尺寸和填充率来满足剂量方面的标准，医师可以根据患者的各种信息来确定最佳的剂量，提高最终的治愈率[4]。

4 3D打印技术在医疗产品设计上的发展趋势

据统计，2017年，全球医疗器械行业的市场规模将超过4 000亿美元，并将继续稳步增长。同年，中国医疗器械行业市场规模达到774亿美元，占当年全球市场规模的19.2%。与国外相比，中国3D打印行业正处于快速发展时期，市场潜力巨大。随着个性化医疗的发展和国家医疗保险政策的实施，对3D打印产品的需求将急剧增加。

5 结语

随着3D打印技术的发展，其应用领域越来越广泛。3D打印的高复原和高精度数字化功能在各个行业都很受欢迎。3D打印技术将3D设计模型直接转换为现实产品，与传统的制造方式相比，更适合制作少量定制化的产品和复杂形状的产品。由于人体的个体差异，手术指南、医疗植入物、假牙等医疗器械对个性化定制的要求很高。因此，“个性化”“人性化”为3D打印技术与医疗行业搭建了深度结合的桥梁。