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一张图看懂3D打印在医疗行业的主要应用2016-03-26

       国内医疗行业对3D打印技术的应用始于上世界80年代后期,最初主要用于快速制造3D医疗模型,在当时,3D打印技术主要用来帮助医生与患者沟通、准确判断病情以及进行手术规划。可以说,我国在医疗行业对于3D打印技术应用的探索起源已久,并伴随着3D打印技术的发展走向深入。

      近年来,随着3D打印技术的发展和精准化、个性化医疗需求的增长,3D打印技术在医疗行业应用在广度和深度方面都得到了显著发展。在应用的广度方面,从最初的医疗模型快速制造,逐渐发展到3D打印直接制造助听器外壳、植入物、复杂手术器械和3D打印药品。在深度方面,由3D打印没有生命的医疗器械向打印具有生物活性的人工组织、器官的方向发展。

       3D打印的医疗模型和手术导板

       在手术前根据患者的CT或核磁共振数据进行三维建模,然后通过3D打印机将模型打印出来,就得到一个医疗模型。3D打印的医疗模型最主要的作用是让医生在手术前可以直观的看到手术部位的三维结构,有助于医生规划手术方案。尤其针对复杂手术,有助于降低手术风险,提高手术的成功率。手术导板是医生在手术中辅助手术的重要工具,3D打印技术尤其适合制造异型或个性化的导板。

       从骨科手术到心脏手术再到肝脏手术......越来越多的手术开始借助3D打印的医疗模型。例如2015年上海市第一人民医院普外科中心主任彭志海教授团队采用3D打印技术为一位来自贵州的患先天性自身免疫性肝硬化门静脉高压症的病人进行活体肝移植。术前为了能精准制定手术方案,专家想到了3D打印技术。3D打印将患者的肝胆胰脏器和相应的病变部位以1:1的"实物"形式呈现在医生面前,通过精确评估病变范围与临近脏器组织的三维空间关系,专家团队确定切除病患307克的肝脏。在进行肝切除时,专家将模型带入手术室在术中进行实时比对,通过调整3D打印模型并置于最佳解剖位置,为手术关键步骤提供直观的实时导航,对关键部位快速识别和定位;通过精确定位病灶、血管,实时引导重要脉管的接合,提高了手术精准性,有效降低了手术风险。

       在3D打印手术导板的精准设计是手术取得成功的重要保证。上海逸动医学科技有限公司在骨科手术导板领域运用国际上领先的SSM_Knee®技术,从多张负重位X光片数据进行膝关节三维统计学建模(Statistical Shape Modeling,SSM)及三维力线测量分析,在电脑上模拟截骨平面、人工全膝关节置换术手术置换全过程,虚拟化设计手术中实施截骨的导向导板并使用医用材料进行3D打印。手术中医生只需要将导板贴附于关节表面然后实施定位截骨即可,准确性高于传统方法,避免了人为因素,手术操作简单,不破坏髓腔。

       3D打印康复器械

       3D科学谷认为,3D打印为矫正鞋垫、仿生手、助听器等康复器械带来的真正价值不仅仅是实现精准的定制化,更主要体现在让精准、高效的数字化制造技术代替手工制作方式,缩短生产周期。我们以已经实现3D打印批量定制化生产的助听器外壳产业为例。在传统的方式下,技师需要通过患者的耳道模型做出注塑模具。然后通过紫外线得到塑料产品。通过对塑料产品进行钻音孔和手工处理后得到助听器最终形状。如果在这一过程中出错,就需要重新制作模型。而使用3D打印机制作助听器的流程,始于患者耳道硅胶模或印模的设计,这个步骤是通过三维扫描仪来完成的。 然后用CAD软件将扫描数据转为3D打印机可读取的设计文件。 设计者可以通过软件修改三维图像,及创建最终的产品形状。EnvisionTec打印机大约可以在60到90分钟内打印出65个助听器外壳或47个助听器模型。

       3D打印植入物

      由于骨肿瘤、车祸等造成的骨骼缺损、颌面损伤、颅骨修补等,都无法用一般修复产品进行治疗,而3D打印产品提供了有效的解决方案, 特别是这些打印的假体都是依据患者的自身特点进行量体裁衣而制造的。

       而3D科学谷认为“量体裁衣”这四个字只是概括了3D打印技术在植入物制造领域的意义之一。3D打印技术在该领域的另一个意义在于,能够打印出与植入物一体的仿生骨小梁微孔结构,从而有利于人体骨骼的长入。这个意义在3D打印标准化植入物中也同样存在。以往骨小梁结构是通过在植入物表面进行涂层来实现的,无法保证假体的长期生存率。2015年由北京大学第三医院张克教授团队和爱康宜城公司合作研发的3D打印人工髋关节获得国家食品药品监督管理总局批准,成为我国首个获准产业化的3D打印植入物。

      但是常见的植入物3D打印材料缺少多功能性,从而限制了其在治疗和修复骨科疾病导致的缺损中的应用(例如:骨肿瘤)。中国科学院上海硅酸盐研究所生物材料研究中心在该领域取得进展。研究中心主要从事3D打印多功能生物活性陶瓷的研究,用于骨修复与治疗。研究团队利用3D打印技术,设计出了多种实验方案,包括利用营养元素,仿生结构和功能化界面以及热治疗, 开发出新型的兼具治疗和修复的多功能材料。

       3D打印药品 

       3D打印技术对制药的影响主要体现在4个方面:一是可以实现药物活性成分的个性化定制;二是剂量的个性化定制,为患者提供个性化治疗方案。 这种一层一层的打印方法,可以把不同的涂层彼此紧密地结合一起,因此可以把某种物质的最大剂量置入一粒药片中。这样病人可以吞服少量或较小的药片;三是可以实现形状的个性化定制。 对于不喜欢吃药的儿童来讲这或许是个好办法。通过3D打印技术打印出各种有趣的形状,哄宝宝乖乖吃药;四是通过3D打印技术使药物拥有特殊的微观结构,改善药物的释放行为,从而提高疗效并降低副作用。例如,在2015年美国食品药品监督管理局 (FDA)己在全球批准首款完全用3 D打印制作的药片。这款名为Spritam的药物由美国Aprecia制药公司研制,用于治疗癫痫症患者。Aprecia 使用的Zipdose 3D打印技术最重要的意义就是使药物能够在少量的水中迅速崩解高剂量的药物,这种药物给发病时的患者带来了极大的方便。

       生物3D打印组织、器官

       3D打印在医疗领域的应用发展时间点可以用一个图表来呈现。其中生物3D打印在图表上的比重最多:2013-2018年生物医用植入物技术逐渐走向成熟,2013-2022年原位生物制造技术开始出现并逐渐成熟,2013-2032年,3D打印完整人体器官渐入佳境。

       虽然目前出现的生物3D打印器官并不是功能完整、结构完整的器官,但是它们在药物筛选测试、疾病的研究领域已经开始发挥作用。普通药物筛选技术的临床转化率低,最佳的药物测试对象其实是人体。但这一做法并不现实,因为一来人不能承担药物初步筛选工作,二来患者个体差异大,身体结构复杂。而将人体细胞在体外构建组织后进行药物筛选是一种可替代人体的有效办法。例如杭州捷诺飞可批量生产的3D打印肝单元,已被默克制药公司用于药物毒性测试。肝脏是承担药物毒性的重要器官,对人工肝的需求量也很大。成人肝脏由50到100万个称作肝小叶的单元组成,肝小叶是肝结构和功能的基本单位,模仿肝小叶结构制备肝单元,是制造人工肝脏的关键步骤。用人源细胞3D打印的组织和构建病理模型,能准确反映化学和生物药物在人体内的药理活性,从而提高药物筛选成功率。

       3D打印与口腔科

       牙齿修复和治疗的成本是牙科诊所、实验室需要考虑重要因素,很多有先见之明的牙科诊所、实验室已经引入数字化口腔技术,以提升效率、降低成本。近年来,以软件设计为基础的牙科修复变得普及,很多牙科诊所、实验室或专业义齿生产企业都引入了3D打印技术。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口腔数据。3D科学谷认为,包括3D打印在内的数字化牙科技术更重要的意义在于,减少医生手工制作模型、义齿等牙科产品的时间,将精力回归到口腔疾病的诊断及实施口腔手术本身。对于牙科技师而言,虽然远在医生诊室之外,但只要获得患者的口腔数据,就可以根据医生要求定制出精准的牙科产品。3D牙科产品的流程和主要应用我们可以通过下面这一张图来说明。


       3D打印与医疗器械制造

       制造医疗器械与其他产品一样,在新产品的研发阶段需要制造出产品原型进行设计验证。3D打印是一种经济、快速的产品原型制造方式,通常使用FDMSLA等塑料3D打印技术即可完成快速原型制造,这一点已无需多说。而金属3D打印技术在医疗器械领域的潜力已经超越了原型承担复杂手术器械的制造任务。例如,在膝关节前交叉韧带损伤修复手术中,医生首先要去除残存的前交叉韧带,然后准确的替换上移植韧带。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的难度很高,而且所花费的时间长、成本高。这种情况下,使用金属3D打印技术进行制造则更为适合。



原文链接:https://mp.weixin.qq.com/s/L1mCAImUoM7-6gCh9_d5bQ


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