醫用3D打印技術用在哪？

發布時間 | 2017-09-16 13:11 分類 | 行業要聞點擊量 | 4001

導讀：

從1988年第一臺3D打印機問世到如今，3D打印似乎已經成為了一個炙手可熱，耳熟能詳的名詞，還被譽為是“第三次工業革命的重要標志之一”。但是很多人對它的印象可能僅停留在“好像什么復雜的建材都能打印出來”的觀點上。但實際上，在過去的十幾年里，3D打印已不再局限于制造業，它在醫藥行業也擴展得十分迅猛，各項有前景的應用接踵而至，這次本文便來簡單講講3D打印及其在醫藥行業中的應用狀況。

第一臺3D打印機

一、3D打印的類型

3D 打印技術是20世紀80年代后期開始逐漸興起的一項新興制造技術，它是指在計算機控制下，根據物體的計算機輔助設計（CAD）模型或計算機斷層掃描（CT）等數據，通過材料的精確3D堆積，快速制造任意復雜形狀3D物體的新型數字化成型技術。

目前應用較多的 3D 打印技術主要包括光固化立體印刷（SLA）、熔融沉積成型（FDM）、選擇性激光燒結（SLS）和三維噴印（3DP）等。

1、立體光固化成型打印

立體光固化成型 SLA（stereo lithographyappearance），即用特定波長與強度的激光聚焦到液態的光固化材料表面，使之由點到線，由線到面的順序凝固，完成一個層面的繪圖作業。然后再移動光波至另一個層面，層層疊加構成一個三維實體。

2、熔融沉積成型打印

熔融沉積成型FDM(Fused DepositionModeling)工藝是通過將絲狀材料，如熱塑性塑料、蠟或金屬的熔絲從加熱的噴嘴擠出，按照零件每一層的預定軌跡，以固定的速率進行熔體沉積。每完成一層，工作臺下降一個層厚進行迭加沉積新的一層，如此反復最終實現零件的沉積成型。FDM 工藝的關鍵是保持半流動成型材料的溫度剛好在熔點之上 ( 比熔點高 1?C左右)。其每一層片的厚度由擠出絲的直徑決定，通常是 0.25~0.50mm。

3、選擇性激光燒結打印

選擇性激光燒結法 SLS（Se1ected Laser Sintering），采用紅外激光器作能源，使用的造型材料多為粉末材料。加工時，首先將粉末預熱到稍低于其熔點的溫度，然后在刮平棍子的作用下將粉末鋪平；激光束在計算機控制下根據分層截面信息進行有選擇地燒結，一層完成后再進行下一層燒結，全部燒結完后去掉多余的粉末，則就可以得到一燒結好的零件。

4、三維噴墨打印

三維噴墨打印是通過將液態連結體鋪放在粉末薄層上，以打印橫截面數據的方式逐層創建各部件，創建三維實體模型。采用這種技術打印成型的樣品模型與實際產品具有同樣的色彩，還可以將彩色分析結果直接描繪在模型上，模型樣品所傳遞的信息較大。三維噴墨打印的材料主要是一些高性能復合材料（高強打印粉）。目前，三維噴墨打印機是市場上精度最高，成型效果最好的高端打印設備。

二、3D打印的優劣勢

優勢：

（1）打印精度高。目前上市的主流3D打印機精度基本控制在0.3 mm以下，個別精度較高的可實現600 dpi的分辨率，打印厚度只有0.01 mm。

（2）生產周期短。3D打印可在數小時內快速精確地將計算機中的數字模型打印出來。

（3）滿足個性化需求。理論上講，3D 打印機能打印出計算機設計的任何形狀的模型。

（4）節省材料。3D打印因其增材制作的特性在生產中不會產生邊角料，通過摒棄生產線降低了成本，提高了材料利用率。

劣勢：

（1）打印精度受限。3D 打印技術發展到現在，雖然有了很高的精度，但還不能實現一些特殊精密產品的打印，如照相機鏡頭等。

（2）使用材料范圍有限。基于目前 3D 打印機的成型原理，僅可使用金屬粉末、無機粉料、光敏樹脂、塑料等，像衣服纖維這樣的特殊材料還顯得無能為力。

（3）打印尺寸受限。3D 打印應用范圍雖然廣泛，但對軍工、航空航天和航海等領域所需要的大尺寸零部件來說暫時還難以實現。

三、3D 打印技術在醫藥領域的應用

隨著 3D 打印技術的發展和成熟，它在醫學模型制造、組織器官再生、臨床修復治療和藥物研發試驗等領域也得到了廣泛應用。

1、醫學模型制造

醫學模型在基礎醫學和臨床實驗教學中的用途十分廣泛，用量也大，但是用傳統方法制作醫學模型程序復雜、周期長，在使用過程中極易損壞。利用 3D 打印制作醫學教學用具、醫療實驗模型等用品不僅避免了上述問題的出現，同時還可以根據實際需要對一些特殊模型實現個性化制造。

而對于風險很大的手術，為了保證醫療手術的安全實施，醫生會根據病變器官模型進行分析策劃以確定重要的手術方案。利用 3D打印技術對材料進行精確控制的優點可快速制備出高質量的器官模型，幫助醫生進行精準的手術規劃、提升手術的成功率，又方便醫生與患者就手術方案進行直觀的溝通。

舉例：

美國一家醫院成功地為一對連體雙胞胎嬰兒實施了頭顱分離手術，其中引人注目的是手術前醫院采用了以色列Obeject公司的三維打印機制作出精確的連體頭顱。據此進行了縝密的手術方案研究，使手術順利進行，只用了22h，而以往相類似的手術則長達72h。

連體頭顱模型

2、細胞的制備

近年來，研究者已開始廣泛關注細胞的3D打印技術，如通過攜帶細胞進行3D打印而直接制備動物器官、組織的方法。此技術的優點在于通過對加工過程的精確控制優勢，調節細胞在微觀尺度上的排列情況，以實現對單個細胞的行為和細胞間的相互作用（細胞與細胞、細胞與材料）進行控制，從而促進細胞形成具備各種功能的組織，為醫療手術及術后恢復提供便利。

3D打印的細胞生長成的皮膚狀片層結構

3、 3D打印組織器官

人體組織器官替代物一直是臨床醫學上的一個難題，很多患者為此而喪失生命，且人體組織器官代替物對材料的要求很高，實現難度大。但隨著科學技術的發展，3D 打印人體器官已經成為可能。

舉例：

加州大學圣地亞哥分校（UCSD）利用自行研制的數字光處理（DLP）3D打印機，他們成功打印出了復雜的血管網絡，而此網絡在被植入小鼠體內后居然成功與后者的血管系統實現了融合，并且表現出了正常的功能。

UCSD團隊利用3D打印的5毫米大的血管網絡

此外還可利用 3D 技術打印人體肝臟、腎臟和特定細胞組織用于新藥測試，不僅可以真實模擬人體對藥物的反應，得到準確的測試效果，而且還能在很大程度上降低新藥的研發成本。

4、3D打印植入物

3D打印技術用于制造骨科植入物，可有效降低定制化、小批量植入物的制造成本，且這種植入物能夠更好地融入人體，改善對患者的治療效果。近年來，醫療行業已越來越多地采用金屬3D打印技術來設計和制造醫療植入物。

舉例：

澳大利亞聯邦科學與工業研究組織（CSIRO）、墨爾本醫療植入物公司Anatomics和英國醫生聯手，為一名61歲的英國患者Edward Evans實施了3D打印鈦-聚合物胸骨植入手術，這也是全球首創。之前這種植入物一般都會用純鈦制造，新型胸骨植入物能夠比之前的純鈦植入物更好地幫助重建人體內的“堅硬與柔軟組織”。

使用3D打印制造的鈦-聚合物胸骨

5、3D打印藥物

3D打印技術的優勢在于個性化制備復雜結構，因此用于制藥時可以實現劑量、外觀、口感等的個性化定制，同時因為3D打印的“藥片”可擁有特殊的微觀結構，有助于改善藥物的釋放行為，從而提高療效并降低副作用。

舉例：

美國制藥公司Aprecia成功地應用了3D打印技術，將藥物的活性和非活性成分層層放置，開發出了世界上第一個3D打印的藥品——Spritam（化學名為：左乙拉西坦），這是一種用于治療癲癇的藥物。這種用藥物粉末打印出來的藥丸有著多孔的結構優勢，在接觸到水后能夠迅速溶解，能更快更好地發揮效力，以應對突如其來的抽搐。