3D打印技术在医疗领域的研究进展

医疗器械 来源:南极熊3d打印网 作者:管吉,杨树欣,高磊(中国人民解放军第三零二医院 医学工程保障管理中心)管叶(.中国人民解放军总医院 门诊眼科) 0评论


3D打印起源于20世纪80年代美国军方的快速成形技术,与传统成形技术有着本质差别。它的出现使传统制造业发生了颠覆性变革,已成为引领未来全球制造业发展的新趋势。接下来南极熊主要从实现方式、发展历程及其在医疗领域的应用方面观察3D打印的研究进展。

3D打印及其实现方式

3D打印是依托于信息技术、精密机械以及材料科学等多学科发展起来的尖端技术,又称为“快速成型”技术或“增材制造”技术,主要通过电脑创建的三维设计图对材料进行分层“打印”叠加,最终整体成形。3D打印实现方式主要有立体光刻成型、熔融沉积成型、选择性激光烧结成型等。

(1)立体光刻成型。先由软件把3D数字模型“切”成若干个平面,形成多个剖面;再由紫外线激光经一个周围有液体槽(槽里面充满可以被紫外线照射固化的液体)并可以举升的平台从模型的剖面底层开始进行照射固化;底层固化后,平台下移,开始固化下一层;如此往复,直到最终成型。

(2)熔融沉积成型。材料经高温熔化成液态,然后通过喷嘴挤压出许多很小的球状颗粒,这些颗粒在喷出后会立即固化,固化的颗粒在 立体空间进行排列组合最终形成实物。

(3)选择性激光烧结成型。将3D模型薄片化后放置在充满待烧结的材料粉末的容器内;再采用大功率的二氧化碳激光从最底层的3D切片开始进行烧结;接着平台下移,材料辊在已烧结部分上再铺上薄薄的一层材料粉末进行烧结;如此往复,直到整体成型。

3D打印机的发展历程

1984年,查尔斯赫尔研制了3D打印技术并于1986年获得专利,将其命名为立体光刻技术,成立了3D Systems公司。1987年,DTM公司开发了SLS技术,并进行了商业化应用。1988年,克伦普研发了FDM技术,翌年成立了Stratasys公司。1991年,Helisys公司售出了第一台分层实体制造(LOM)系统。1992年,Stratasys公司售出了首批基于FDM的“三维建模”机器。1993年,麻省理工学院获得了“三维打印技术”专利,该技术类似于二维打印机中使用的喷墨印刷技术。1995年,麻省理工学院研发了粉末层和喷头3D打印(3DP)技术。1996年,3D Systems公司推出“Actua 2100”快速成型机;同年Z Corporation推出“Z402”并首次冠以“3D打印机”的称谓。2005年,Z Corporation推出市场上第一台高精度彩色3D打印机“SpectrumZ510”。2006年,RepRap开放源码项目启动,旨在开发能进行自我复制的3D打印机。2008年,Objet Geometries公司推出有史以来第一个能够同时使用几种不同材料的3D打印机“Connex500”快速成型系统 [6-7] 。Object Geomatries公司于2007年发布了 Polyjet矩阵技术,其打印设备,见图1。


其技术原理是喷射超薄层的光固化物,最薄层只有16 μm,并且其喷射材料有多种。

3D打印在医学领域的应用现状 (1)制作下颚骨。

采用3D打印技术,世界上首次完成了完全使用定制植入物代替整个下颚的制作过程。与传统制作方法相比,3D打印耗费的材料更少,生产时间更短,往往只需数小时便可以制出一只下颌骨。为了避免排斥反应的发生,科研人员在制作完成的下颌骨上涂上了生物陶瓷涂层。技术人员可根据移植患者的具体需求来设计骨骼部件的效果图,然后利用高精度镭射枪来熔解钛粉,并将他们一层层地喷涂叠加起来,最终制作出立体人造骨骼部件成品。整个过程不需要任何胶水或粘结剂。科研人员们已经成功为一名83岁的老妇人植入了经3D打印制成的下颌骨。

(2)打印外骨骼。

3D打印现在已经进军体外骨骼打印,旨在辅助残疾人士与肌肉萎缩人士提升行动能力。经3D打印制作的轻量级体外骨骼可以辅助用户站立及走动。

(3)打印细胞。

科学家已经使用人类细胞经3D打印制作出了世界上第一个人造肝脏。研究人员开发出了基于瓣膜的细胞打印过程,可以按特定的模式打印细胞。细胞打印过程中的关键在于打印机喷嘴,喷嘴用力必须轻柔,以保护细胞和组织的生命力。赫瑞瓦特大学开发了一种基于瓣膜的双喷嘴打印机,能够打印高度活细胞如用于组织再生的人体胚胎干细胞,其细胞打印系统方案图。


(4)打印活体组织。

研究人员日前创造出一种水滴网络,能够模仿生物组织中的一些细胞特性。利用一台3D打印机,研究小组可将小水滴组装成为一种类似胶状物的物质,它能够像肌肉一样弯曲,并能够像神经细胞束一样传输电信号,可用于修复或缓解器官衰竭。这一技术应用在医疗领域有望能够合成人造组织或器官模型。

(5)打印血管。

联合3D打印技术和多光子聚合技术,人们已成功打印出人造血管。通过这一过程打印出来的 血管可以与人体组织相互“沟通”,不会发生器官排斥,且可以生长出类似于肌肉的组织。该研究成果将有望用于人体试验和药物测试。

(6)打印器官。

科研人员采用3D打印技术配合人体自身细胞,使用加入细胞混合物凝胶的可生物降解脚手架, 逐层构建出了肾脏。这项技术还帮助一个孩子成功移植了人工膀胱。此外,利用CT扫描等医学影像技术,3D打印机还可以采用丙烯酸树脂制作出半透明的器官模型,从而帮助外科医生了解器官内部结构,实现肿瘤放疗效果的可视化。美国科学家成功利用3D打印技术制作出了能够精确复制疑难并发症患者的心脏解剖结构的人体心脏模型,用于医生术前研究患者心脏结构。

(7)治疗癫痫。

日本科研团队研发了一种新的光固化三维打印材料,这是一种具有高导电性的新型树脂,可应用于制作包括3D碳电极的燃料电池或生物传感器的接口。其最有前途的应用是制作可与大脑连接的3D微电极,大脑中的神经可以通过3D微电极的接口进行互连,从而发送或接收来自神经元的电信号,可用于进行深部脑刺激和相关疾病如癫痫、抑郁症、帕金森氏病的干预及治疗。这项技术目前仍处于实验阶段。

(8)胎儿塑像诊疗。

伦敦超声波中心是英国第一家提供3D服务的诊所。针对怀孕>24周、身体状况稳定的母亲,可用超声波探测其子宫中的胎儿,记录出各种数据;再运用3D扫描技术对这些数据进行处理从而模拟出胎儿的雏形;最后用黄铜将模型浇铸出来。这项技术有助于胎儿先天性缺陷的探测。

(9)打印支气管。

医务人员利用3D打印机,采用生物材料制作出了一个可在气道中开辟通道的夹板,成功挽救了一名支气管软化的婴儿。

(10)打印头骨。

3D打印技术凭借优异的可定制性成为骨科领域的宠儿。美国当地的医疗机构正试图将3D颅骨打印引入到临床治疗中。目前打印材料还未正式被美国食品药物管理局(FDA)批准,如果材料申请能够通过,那么预计会有75%的颅骨外伤患者接受相关修补手术。

(11)减少癌患负担。

通过在3D打印机中加入装有化学药品的容器,3D打印机可合成用户所需药品。这将大大 降低药品制作成本,减轻患者负担。

4  结语

作为一项具有开创性意义的技术,3D打印必将对整个医疗行业产生深远影响。目前,全球每年等待器官移植的患者数量惊人,很多患者因未能及时得到捐赠器官而死亡,而即便得到了捐赠器官,患者在接受移植手术后也会出现不同程度的排异反应。而未来3D打印技术和克隆技术的完美结合则有望解决器官排异问题。未来人们或许还可以利用3D打印直接修复身体上的一些伤口。此外,医药机构还可以从3D打印的人体活体组织中提取大量翔实而准确的数据,有利于加速新药品的研发进度。

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