增材制造医疗器械设备领域结构优化

谢宇玲

（福建船政交通职业学院，福建 福州 350008）

1 增材制造

1.1 增材制造的介绍

增材制造是一项技术，它还有另一个别称叫“3D打印”，英文简称AM，它主要是借助计算机来做设计，还有各个工厂都常见的材料加工和成形技术。增材制造以软件和数控系统来进行制造，数字模型文件是一个基本文件，它通过挤压的手段、烧结的方法和光固化的形式进行一系列操作层层堆放，用于金属和非金属材料、医用生物材料，并最终用于制造出需要的物品。它主要使用的能源多为光的元素，例如，激光、电子束、紫外光等，还有许多不同的材料，但是，由于成型方式和材料的选择不同，冷凝热源也不同，导致凝结热源种类也不同。主要分成四种不同的情况：第一种为分层实体制造工艺技术（LOM），第二种主要是立体光刻（SLA）的关键技术，还有就是选择性激光烧结（SLS）和熔融沉积成型（FDM）工艺技术。它的优势主要是可以制造出任意复杂的零件，实现“自由制造”。解决了很多工业上的难题，使它的加工工序的时间也大大减少。

1.2 增材制造的简单背景

增材制造技术在过去的30年里，它甚至不是主要的工业技术，而是一个非商业化的技术，但是，它经历了飞速发展，后来已经形成了专业精确的技术。一开始它是通过二维图层叠加的方式成型三维的地形图。但是，1960～1980年，它融合了光聚合设计、粉末熔融工艺和薄片叠层技术，技术已经在加快进步，但是当时没有太大的市场，对研发的投入就非常少。90年代后，出现电子束熔化等先进的技术，具有商业生机，大量研究者开始转向开发AM相关软件，制造出AM专用文件格式和专用软件。2000年后期，金属AM更是在其中脱颖而出，成为焦点，许多AM技术也在飞速地提升。

1.3 发展趋势

国外非常重视增材制造的技术，把它放入了国家战略和规划，这个技术已经受到政府、研究机构和企业的广泛支持，并且美国在制造业改革方面投资了10亿美元，成立了美国增材制造创新研究所，以及40多家公司和专业协会。不只有英美在采取措施，德国建立了直接研究中心，目的在于利用增材制造技术发展航空航天领域中部分方面应用，法国建立研究所去专门研究，西班牙建立专项，包括很多方面，主要为共性技术、材料、技术交流和商业模式方面的增材制造，还有日本也在通过各种手段在发展。

激光熔覆成形与修复装备被我国的一群大学生和老师建立了凝固技术重点实验室进行以上操作，这一技术可以满足“自由拆卸”，西安交大已经研究出光固化快速成型技术，国家还为此制造了工程研究中心，在专研下形成了一套快速制造系统，并且他们还研究了许多不同方面的制造技术，实现了光子晶体、一体化铸型等复杂的零件制造。还有上海理工大学的突出奉献，在这些奉献下，我国在许多方面的增材制造取得了重大突破，例如，用于制造附加材料的电子和电气技术。还有我国本土企业自主研发的“立体电路制造工艺”，这是电子产品范围应用技术的一个分支。我国增材制造技术正在全面地发展和进步，相信未来几年还会有大的飞跃。

2 人体植入

2.1 骨骼

增材制造技术在医学上也应用得非常广泛，主要辅助医疗器械来进行手术操作，例如，人体植入和手术导向模板等，由于不断地实践，发现增材制造技术应用在骨外科领域效果非常好，骨外科主要是对骨骼出现各种问题的解决，而增材制造技术可以对坏损的骨骼进行重新的植入，并且根据坏损的程度不同，植入物的形状都不相同，这样普通的技术就无法更准确地完成操作，而增材制造技术则刚好解决了这个问题。首先，是因为增材制造技术自身就拥有不锈钢、钴铬合金这类材料，本身就具有，就避免后天的添加出现错误。在使用专业的设备进行激光束的打造，就可以很好地进行修补骨骼。其次，是增材制造技术根据患者的实际情况进行专业和个性化的手术设置，让手术成功的概率更大，它可以在手术的技术上极大地减少放射性暴露，使放射剂量均衡，近而减少手术风险的概率。它还可以减少术后感染，可以更加保证身体的健康、手术的效果。

2.2 骨科标准化产品

植入物主要应用于骨科，主要应用于骨骼、关节、脊柱等，我国标准化植入物产品已获得国家食品药品监督管理总局批准。一些医学研究院在研制制造人工髋臼杯和人工椎体的金属增材制造方面进行了合作。然后，进行相关的动物实验，进行一系列的器官植入在动物体内进行实验探索，以观察用电子束打印间融合器是否具有良好的脊柱修复效果，这些效果能否应用在所有患者中间。其次，查看它是否具有稳定性，植入以后会不会出现变质或其他影响，考虑多方面的问题，再进行改正，多实践，真正应用在我们的骨骼中。

2.3 定制式植入物的应用

由于增材制造的效果非常好，并且可以满足形状大小的随意变化，因其实现了产品的个性化生产，逐渐在医疗行业开始大量推广使用，制定量身的手术设置，使患者更加放心、安心，对医生更加有信心。它的标准化产品有很多，可以是应用骨骼的矫正器，对骨骼进行矫正和维护；还可以是对脊柱进行矫正侧弯的矫正器，如今脊柱病非常严重，人们低头玩手机，走路也玩手机，造成脊椎的弯曲、脊柱的侧弯，整个矫正器就非常方便，使人们更加愿意去矫正，而不是不管不顾。再有就是专门定制的骨科植入物和助听器，众所周知，每个耳力有残疾的人都需要借助助听器，助听器不是随便买一个就行，每个人的听力程度是不同的，属于自己的才是最好的，并且有人带时间长会出现不适，这些都需要我们注意，这样每个耳力有残疾的人都可以听见属于自己的声音，可能改变他们的一生，带给他们自信。但是，对于骨骼的植入处理，要具有优秀的增材制造设备，还应该具有高超的技术，医生在进行手术时要快准精，根据增材制造的准确设计，分析准确患者的结构特征，进行定制式植入物。

2.4 增材制造植入物应用举例

（1）膝关节假体。它的病因因人而异，解剖的结构也会存在差异，并且膝关节假体有股骨内外侧突出（overhang）的情况或者是胫骨旋转对齐不良。这时我们就需要增加假体的尺寸规格，再借助解剖型胫骨平台来进行操作。国外一家公司推出一种定制的假体，它的主要原理是通过其生产的专业软件对患者的影像数据（CT或MR扫描）进行扫描查看，这样就可以定制专属自己的膝关节假体和专用手术机器。还可以通过患者的解剖和影像数据来设计专有的手术设备来进一步制定手术，实现对其坏损部分的精确定位，更加有效地解决手术问题，更好地完成手术。

（2）椎间融合器。它是适用于较小的产品尺寸和复杂的结构，一般用于退行性椎间盘疾病的椎间融合术，使这个疾病有所好转，降低它的疼痛性，它的主要原理是利用增材制造技术在患者的椎间融入多孔结构，这样就有利于骨骼的骨长进行稳定的增长。

2.5 药物

增材制造技术具有非常多的优点，其中很重要的一个优点就是可以对不可释放的可溶性化合物的药物进行释放，并且最近研发出可以使不溶于水的药物进行释放。另外，因为它的物质空间分布的准确性和灵活性，可以在多种药物之间进行联合配制。最近研究中还制造出迷你药丸，使口服更加快速。都知道喝药是一件非常痛苦的事情，这样可以更好地解决我们的恐惧感，所以增材制造在药物方面的进步空间还有很大，作用也还有很多，它可以制造多种复杂几何的药物，形状各异，但是效果不减反增，可以通过增材制造技术来根据它的形状制定药物的释放曲线。

3 结构优化及未来发展

3.1 结构优化

（1）增材制造技术应用的范围非常广和杂，要想在一方面有重大的突破，就需要在这方面进行不断的细化分析，再加上专业的知识进行具体的分析，结合相关的技术，一起融合起来，尤其是医疗设备相关的技术，相差一点则差距巨大，很多专业名词与专业技术，以原理为基础，增材制造技术为核心进行一些列的改善和提高。

（2）还有就是引进大量的优秀人才，全方面的优秀人才，不论是医疗方面还是技术创造方面，都需要优秀的顶尖人才，为国家做出自己的奉献，为科研事业所牺牲自己宝贵的时间，利用自己的专业知识跟随导师做出一些新的突破，国外也在大力地进行增材制造技术的推广和研发，我们不能在这方面落后，人才培养是关键，才可以做到结构的优化和升级。

（3）国家的大力支持，政府应该加大重视增材制造技术的发展，建立专门的研究机构，进行分析研究，建立大学实验室让学生积极投身于科研事业中，鼓励企业进行增材制造技术的创新或是产品的研制，药物科技集团更加精确的参数，使可以使用该技术的方向更加广，范围更加大，使它的结构更加优化，形成自己的制造系统。国家投入资金为研发做坚实的后盾。

3.2 未来发展

上面只是具体分析了其中医疗机械领域的创造，并没有分析全部使用增材制造的领域，但是我国的产业种类更是非常的多，还会有许多产业的技术没有覆盖全面，还有许多可以进步的空间，可以全方位覆盖，达到生产效率的提高，未来发展的潜能非常巨大。如今人们的生活水平非常高，加班时间多，压力大，饮食不好，使自己的身体出现了各种问题，我们只是根据如今的疾病进行分析判断，使用增材制造的技术的医疗设备加快解决疾病和制定适合的设置，但是还有许多隐藏的疾病没有被我们发现，以后还有许多医疗设备可以使用增材制造的技术，还有药物的新型研发都可以使用，它在未来的作用非常重大。它也应用在许多重点建设工程上，航空领域，对于飞机的制造材料的特殊性也会应用AM技术，国防军工中的设备制造，金属材质的制造，还有我们生活常用的汽车领域的增材制造，所以它在未来的发展趋势不容小视，很多研究人员在努力地研发更新的科技，它已经有很高的技术了，如果再不断提升，它将会有更大的未来。

4 结语

增材制造是我国一项重要的技术，它的应用使我国工业、航天、国防、医疗都有重大的突破，它在我们生活中占有重要的作用，增材制造在国内外都占有重要的研究地位，我国应该更加重视和发展该项技术，在这项上超越其他国家，对增材制造技术进行不断的优化，使它更加完善，覆盖的领域更加多。但是，也要具备素质较高的研究员，在后方进行付出，增收优秀的青年、具有实际经验的青年、不怕苦不怕累的青年，为我国的科研项目做出自己的奉献。对于医疗机械设备更应该进行大量的投入，因为根本无法预见什么疾病前到来，例如，2019年出现的新型冠状病毒，我们没有人可以猜到它一发生就是3年，不知道还需要几年才可以消失，但是，我们有研发疫苗，在有效的控制，以后可能还会发生很小的疾病，多制造一种技术，可能就营救一类人的生命。技术不怕多，好的技术更是，我们要不断地创新不同的技术，增强其结构的优化，使结构更加完善，避免出现故障等小的问题，及时检查结构和系统，各方面都做到更好。