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            一張圖看懂3D打印在醫療行業的主要應用

            2017.08.15

             國內醫療行業對3D打印技術的應用始于上世界80年代后期,最初主要用于快速制造3D醫療模型,在當時,3D打印技術主要用來幫助醫生與患者溝通、準確判斷病情以及進行手術規劃??梢哉f,我國在醫療行業對于3D打印技術應用的探索起源已久,并伴隨著3D打印技術的發展走向深入。


            近年來,隨著3D打印技術的發展和精準化、個性化醫療需求的增長,3D打印技術在醫療行業應用在廣度和深度方面都得到了顯著發展。在應用的廣度方面,從最初的醫療模型快速制造,逐漸發展到3D打印直接制造助聽器外殼、植入物、復雜手術器械和3D打印藥品。在深度方面,由3D打印沒有生命的醫療器械向打印具有生物活性的人工組織、器官的方向發展。


            這些醫療行業的主要應用和在這些應用中使用的主要3D技術及材料可以反映在一張圖上:


            3d printing in medical industry



              在手術前根據患者的CT或核磁共振數據進行三維建模,然后通過3D打印機將模型打印出來,就得到一個醫療模型。3D打印的醫療模型最主要的作用是讓醫生在手術前可以直觀的看到手術部位的三維結構,有助于醫生規劃手術方案。尤其針對復雜手術,有助于降低手術風險,提高手術的成功率。手術導板是醫生在手術中輔助手術的重要工具,3D打印技術尤其適合制造異型或個性化的導板。


              從骨科手術到心臟手術再到肝臟手術……越來越多的手術開始借助3D打印的醫療模型。例如2015年上海市第一人民醫院普外科中心主任彭志海教授團隊采用3D打印技術為一位來自貴州的患先天性自身免疫性肝硬化門靜脈高壓癥的病人進行活體肝移植。術前為了能精準制定手術方案,專家想到了3D打印技術。3D打印將患者的肝膽胰臟器和相應的病變部位以1:1的“實物”形式呈現在醫生面前,通過精確評估病變范圍與臨近臟器組織的三維空間關系,專家團隊確定切除病患307克的肝臟。在進行肝切除時,專家將模型帶入手術室在術中進行實時比對,通過調整3D打印模型并置于最佳解剖位置,為手術關鍵步驟提供直觀的實時導航,對關鍵部位快速識別和定位;通過精確定位病灶、血管,實時引導重要脈管的接合,提高了手術精準性,有效降低了手術風險。


              在3D打印手術導板的精準設計是手術取得成功的重要保證。上海逸動醫學科技有限公司在骨科手術導板領域運用國際上領先的SSM_Knee®技術,從多張負重位X光片數據進行膝關節三維統計學建模(Statistical Shape Modeling,SSM)及三維力線測量分析,在電腦上模擬截骨平面、人工全膝關節置換術手術置換全過程,虛擬化設計手術中實施截骨的導向導板并使用醫用材料進行3D打印。手術中醫生只需要將導板貼附于關節表面然后實施定位截骨即可,準確性高于傳統方法,避免了人為因素,手術操作簡單,不破壞髓腔。



              3D打印為矯正鞋墊、仿生手、助聽器等康復器械帶來的真正價值不僅僅是實現精準的定制化,更主要體現在讓精準、高效的數字化制造技術代替手工制作方式,縮短生產周期。我們以已經實現3D打印批量定制化生產的助聽器外殼產業為例。在傳統的方式下,技師需要通過患者的耳道模型做出注塑模具。然后通過紫外線得到塑料產品。通過對塑料產品進行鉆音孔和手工處理后得到助聽器最終形狀。如果在這一過程中出錯,就需要重新制作模型。而使用3D打印機制作助聽器的流程,始于患者耳道硅膠?;蛴∧5脑O計,這個步驟是通過三維掃描儀來完成的。 然后用CAD軟件將掃描數據轉為3D打印機可讀取的設計文件。 設計者可以通過軟件修改三維圖像,及創建最終的產品形狀。EnvisionTec打印機大約可以在60到90分鐘內打印出65個助聽器外殼或47個助聽器模型。



              由于骨腫瘤、車禍等造成的骨骼缺損、頜面損傷、顱骨修補等,都無法用一般修復產品進行治療,而3D打印產品提供了有效的解決方案, 特別是這些打印的假體都是依據患者的自身特點進行量體裁衣而制造的。


              然而“量體裁衣”這四個字只是概括了3D打印技術在植入物制造領域的意義之一。3D打印技術在該領域的另一個意義在于,能夠打印出與植入物一體的仿生骨小梁微孔結構,從而有利于人體骨骼的長入。這個意義在3D打印標準化植入物中也同樣存在。以往骨小梁結構是通過在植入物表面進行涂層來實現的,無法保證假體的長期生存率。2015年由北京大學第三醫院張克教授團隊和愛康宜城公司合作研發的3D打印人工髖關節獲得國家食品藥品監督管理總局批準,成為我國首個獲準產業化的3D打印植入物。


              但是常見的植入物3D打印材料缺少多功能性,從而限制了其在治療和修復骨科疾病導致的缺損中的應用(例如:骨腫瘤)。中國科學院上海硅酸鹽研究所生物材料研究中心在該領域取得進展。研究中心主要從事3D打印多功能生物活性陶瓷的研究,用于骨修復與治療。研究團隊利用3D打印技術,設計出了多種實驗方案,包括利用營養元素,仿生結構和功能化界面以及熱治療, 開發出新型的兼具治療和修復的多功能材料。



              3D打印技術對制藥的影響主要體現在4個方面:一是可以實現藥物活性成分的個性化定制;二是劑量的個性化定制,為患者提供個性化治療方案。 這種一層一層的打印方法,可以把不同的涂層彼此緊密地結合一起,因此可以把某種物質的最大劑量置入一粒藥片中。這樣病人可以吞服少量或較小的藥片;三是可以實現形狀的個性化定制。 對于不喜歡吃藥的兒童來講這或許是個好辦法。通過3D打印技術打印出各種有趣的形狀,哄寶寶乖乖吃藥;四是通過3D打印技術使藥物擁有特殊的微觀結構,改善藥物的釋放行為,從而提高療效并降低副作用。例如,在2015年美國食品藥品監督管理局 (FDA)己在全球批準首款完全用3 D打印制作的藥片。這款名為Spritam的藥物由美國Aprecia制藥公司研制,用于治療癲癇癥患者。Aprecia 使用的Zipdose 3D打印技術最重要的意義就是使藥物能夠在少量的水中迅速崩解高劑量的藥物,這種藥物給發病時的患者帶來了極大的方便。



              3D打印在醫療領域的應用發展時間點可以用一個圖表來呈現。其中生物3D打印在圖表上的比重最多:2013-2018年生物醫用植入物技術逐漸走向成熟,2013-2022年原位生物制造技術開始出現并逐漸成熟,2013-2032年,3D打印完整人體器官漸入佳境。


              雖然目前出現的生物3D打印器官并不是功能完整、結構完整的器官,但是它們在藥物篩選測試、疾病的研究領域已經開始發揮作用。普通藥物篩選技術的臨床轉化率低,最佳的藥物測試對象其實是人體。但這一做法并不現實,因為一來人不能承擔藥物初步篩選工作,二來患者個體差異大,身體結構復雜。而將人體細胞在體外構建組織后進行藥物篩選是一種可替代人體的有效辦法。例如杭州捷諾飛可批量生產的3D打印肝單元,已被默克制藥公司用于藥物毒性測試。肝臟是承擔藥物毒性的重要器官,對人工肝的需求量也很大。成人肝臟由50到100萬個稱作肝小葉的單元組成,肝小葉是肝結構和功能的基本單位,模仿肝小葉結構制備肝單元,是制造人工肝臟的關鍵步驟。用人源細胞3D打印的組織和構建病理模型,能準確反映化學和生物藥物在人體內的藥理活性,從而提高藥物篩選成功率。


              3D打印與口腔科


              牙齒修復和治療的成本是牙科診所、實驗室需要考慮重要因素,很多有先見之明的牙科診所、實驗室已經引入數字化口腔技術,以提升效率、降低成本。近年來,以軟件設計為基礎的牙科修復變得普及,很多牙科診所、實驗室或專業義齒生產企業都引入了3D打印技術。結合了3D打印的數字化口腔技術為牙科行業帶來了精度高、成本低、效率高,以及符合規范化生產鏈相符的口腔數據。3D科學谷認為,包括3D打印在內的數字化牙科技術更重要的意義在于,減少醫生手工制作模型、義齒等牙科產品的時間,將精力回歸到口腔疾病的診斷及實施口腔手術本身。對于牙科技師而言,雖然遠在醫生診室之外,但只要獲得患者的口腔數據,就可以根據醫生要求定制出精準的牙科產品。3D牙科產品的流程和主要應用我們可以通過下面這一張圖來說明:



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              3D打印與醫療器械制造


              制造醫療器械與其他產品一樣,在新產品的研發階段需要制造出產品原型進行設計驗證。3D打印是一種經濟、快速的產品原型制造方式,通常使用FDM或SLA等塑料3D打印技術即可完成快速原型制造,這一點已無需多說。而金屬3D打印技術在醫療器械領域的潛力已經超越了原型承擔復雜手術器械的制造任務。例如,在膝關節前交叉韌帶損傷修復手術中,醫生首先要去除殘存的前交叉韌帶,然后準確的替換上移植韌帶。如要保證手術的精準和微創,醫生需要借助一種精密而特殊的手術工具。



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              制造這種工具的鎳鉻鐵合金是一種難加工材料,使用傳統的機加工方式制造該手術工具的難度很高,而且所花費的時間長、成本高。這種情況下,使用金屬3D打印技術進行制造則更為適合。

            轉載自網絡



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