3D打印技術(shù)研究進(jìn)展及其在醫(yī)學(xué)裝備中的應(yīng)用展望

夏 煜，張和華，向 華，吳 旋，顏樂(lè)先，萇飛霸

3D打印技術(shù)研究進(jìn)展及其在醫(yī)學(xué)裝備中的應(yīng)用展望

夏 煜，張和華，向 華，吳 旋，顏樂(lè)先，萇飛霸

介紹了3D打印技術(shù)的概念、原理及發(fā)展歷程，從4個(gè)方面歸納了該技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展，并對(duì)該技術(shù)在醫(yī)學(xué)裝備研發(fā)、生產(chǎn)以及維護(hù)維修領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了展望，同時(shí)指出了該技術(shù)的缺點(diǎn)、使用過(guò)程中存在的問(wèn)題及其廣闊的發(fā)展前景，以期為未來(lái)醫(yī)學(xué)裝備的研究提供參考。

3D打??；醫(yī)學(xué)裝備；應(yīng)用

0 引言

3D打印技術(shù)是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)[1]。它的原型出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代中期，是利用光固化和紙層疊原理的快速成型技術(shù)。

3D打印技術(shù)的打印制作過(guò)程主要包括鋪層、噴涂、除粘接劑[2]。與傳統(tǒng)技術(shù)建材的“去除型”制造原理不同的是，3D打印技術(shù)的理念是“增材制造”，即通過(guò)逐漸增加材料的方法實(shí)現(xiàn)制造過(guò)程[3]。各行各業(yè)都在思考如何利用3D打印技術(shù)提升效率，降低費(fèi)用。諸多學(xué)者認(rèn)為，該技術(shù)影響較大，是制造業(yè)發(fā)展的一個(gè)新的閃光點(diǎn)[4]。

所謂“4D智慧”，就是在傳統(tǒng)3D打印技術(shù)中再加入“時(shí)間”變量，不僅包含3D的長(zhǎng)、寬和高3個(gè)維度，更增加了一個(gè)時(shí)間維度，使打印出的物體可以隨著時(shí)間推移在形態(tài)結(jié)構(gòu)上自我進(jìn)行智慧調(diào)整，最終自動(dòng)達(dá)到預(yù)先設(shè)計(jì)要求。

1 3D打印原理

3D打印技術(shù)，即快速成形技術(shù)，它以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，將金屬粉末、陶瓷粉末、塑料、細(xì)胞組織等特殊材料，通過(guò)逐層堆積黏結(jié)，最終疊加成型的方式來(lái)構(gòu)造物體[5]。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是將物體微分成極薄的多層，通過(guò)分層完成，最后疊加達(dá)到要求的效果，3D打印的原理及步驟如圖1所示。

圖1 3D打印的步驟

盡管3D打印的步驟基本相同，但是在分層的形式上有諸多方式。例如，美國(guó)Scott Crump發(fā)明的熔融沉積成型，其工作原理是將熱熔性材料（ABS、蠟）通過(guò)加熱器熔化，將材料抽成絲狀，經(jīng)送絲機(jī)構(gòu)送進(jìn)熱熔噴頭，在噴頭內(nèi)加熱融化，噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運(yùn)動(dòng)，將半流動(dòng)狀態(tài)的材料按CAD分層數(shù)據(jù)控制的路徑擠出，沉積在指定的位置凝固成形，并與周圍的材料黏結(jié)，層層堆積成型。其他方式還包括Charles Hull推出的光固化方法和麻省理工大學(xué)教授Emanual Sachs發(fā)明的噴墨方式等[6]。這些方法各有優(yōu)劣，但本質(zhì)上都是由分層原理實(shí)現(xiàn)的。

2 應(yīng)用進(jìn)展

3D打印技術(shù)從誕生至今已經(jīng)有了長(zhǎng)足發(fā)展，隨著各式各樣的材料的運(yùn)用，其涉及的領(lǐng)域愈發(fā)廣泛。

（1）在制造業(yè)中，3D打印技術(shù)主要用于模具生產(chǎn)制造等方面。3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)的打印技術(shù)相比，具有成本低、速度快、精度高的優(yōu)點(diǎn)。利用3D打印技術(shù)從CAD模型直接生產(chǎn)模具，能生產(chǎn)出原有技術(shù)條件下很難達(dá)到的高復(fù)雜度的產(chǎn)品。

（2）在食品方面，英國(guó)Exeter大學(xué)研發(fā)了3D巧克力打印機(jī)。該3D巧克力打印機(jī)使用的耗材是液態(tài)巧克力，可以根據(jù)不同模型制作巧克力。隨著越來(lái)越多的可食性耗材的出現(xiàn)，必然會(huì)出現(xiàn)多樣化的食物類3D打印機(jī)。

（3）雖然3D打印在醫(yī)療上的進(jìn)展相對(duì)于其他領(lǐng)域來(lái)說(shuō)稍顯落后，但它有可能改變未來(lái)10 a的醫(yī)學(xué)實(shí)踐[7]。3D打印在醫(yī)學(xué)上的初步試用是從骨骼開(kāi)始的，主要是通過(guò)磷酸鈣陶瓷粉等生物材料，結(jié)合3D打印技術(shù)就可以制造出用于人工植入的假骨。與傳統(tǒng)醫(yī)療技術(shù)相比，3D打印的骨骼具有2大優(yōu)勢(shì)：①可以設(shè)計(jì)出符合患者需求的形狀；②打印的骨骼中有可供患者本身骨細(xì)胞生長(zhǎng)的孔隙，從而與患者本身骨骼融合，有助于患者的康復(fù)。2013年，F(xiàn)aulkner-Jones等人驗(yàn)證了基于細(xì)胞的打印機(jī)可以在可編程模式打印高活細(xì)胞，并且打印后的胚胎干細(xì)胞仍保持著分化的潛能[8]。

3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)裝備方面發(fā)展的另一個(gè)方向是人體器官打印[9]。美國(guó)Wake Forest大學(xué)教授Anthony Atala就通過(guò)干細(xì)胞與3D打印技術(shù)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了腎臟的打印。打印器官時(shí)，首先從成年患者的骨髓和脂肪中提取干細(xì)胞，通過(guò)不同的成長(zhǎng)因子刺激，這些細(xì)胞會(huì)分化成不同類型的細(xì)胞，然后再將這些細(xì)胞轉(zhuǎn)化成液滴，注射器一層一層地將液滴噴涂到凝膠支架上，直到器官的三維結(jié)構(gòu)完成，最終打印出一個(gè)完整的腎臟。類似的人體再造例子還包括Cornell大學(xué)研究人員在PLoS ONE上發(fā)表的報(bào)告，該團(tuán)隊(duì)利用牛耳細(xì)胞在3D打印機(jī)中打印出人造耳朵，可以用于先天畸形兒童的器官移植。耳畸形這種疾病，常規(guī)的治療手段塑形十分困難，3D打印裝備制造的人造耳朵不僅能夠克服上述缺陷，還能夠按需求制作外形，幫助失去部分或全部外耳的人士恢復(fù)外耳。對(duì)于毀容的患者，也可以通過(guò)3D打印技術(shù)制作與本人臉部貼合的假臉，實(shí)現(xiàn)容貌的恢復(fù)[10]。隨著技術(shù)的成熟以及裝備的進(jìn)步，預(yù)計(jì)3D打印設(shè)備的體積會(huì)越來(lái)越小，可能直接在患者需求部位打印移植。

（4）在醫(yī)療裝備方面，3D打印技術(shù)目前主要是制作一些精細(xì)零件和植入設(shè)備，以及一些根據(jù)個(gè)人不同需求，個(gè)性化制作的設(shè)備等。在精細(xì)零件和植入設(shè)備中，主要有心臟、大腦等精細(xì)部位的植入設(shè)備，如支架和檢測(cè)設(shè)備。3D打印技術(shù)能夠根據(jù)不同患者需要快速精確制備適合不同患者的個(gè)性化生物醫(yī)用高分子材料，并能對(duì)材料的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確控制[11]。另外，一些需要根據(jù)個(gè)人不同需求個(gè)性化制作的設(shè)備，如假牙、假眼等，由于患者個(gè)體差異較大，如果逐一生產(chǎn)每種規(guī)格的，難度較大，使用3D打印技術(shù)則可以很好地滿足每個(gè)人的需求，根據(jù)掃描的患者數(shù)據(jù)和信息，進(jìn)行相應(yīng)制作。3D打印技術(shù)已廣泛應(yīng)用于顱骨、眼眶、頜骨及牙假體、耳廓假體、人工骨盆等的個(gè)性化制作[12]。更有學(xué)者將犬的平滑肌細(xì)胞、牛的主動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞和人類羊膜液衍生干細(xì)胞，通過(guò)噴墨機(jī)打印在海藻酸凝膠和氯化鈣溶液形成的三維結(jié)構(gòu)中正常生長(zhǎng)，而各種細(xì)胞的生物學(xué)特性并未因此受到破壞，3D打印出來(lái)的無(wú)生命介質(zhì)可以作為器官的支撐材料[13]。比利時(shí)和荷蘭的科學(xué)家在2011年成功為一個(gè)83歲的女性植入了3D打印的下頜骨，該人工下頜骨僅比生理下頜骨重30g，手術(shù)歷時(shí)4 h，比傳統(tǒng)的手術(shù)縮短近16 h，且患者功能恢復(fù)良好[14]。筆者認(rèn)為，隨著技術(shù)的發(fā)展改進(jìn)，3D打印技術(shù)會(huì)越來(lái)越多地影響醫(yī)學(xué)的發(fā)展，并改善醫(yī)療條件。

3 在醫(yī)學(xué)裝備中的應(yīng)用展望

醫(yī)學(xué)裝備種類繁多，產(chǎn)品大到MRI、CT，小到心臟起搏器等，且更新?lián)Q代日益頻繁，3D打印技術(shù)在該領(lǐng)域的應(yīng)用將非常廣泛。

（1）醫(yī)學(xué)裝備研制或試驗(yàn)方面。由于其結(jié)構(gòu)和功能相對(duì)復(fù)雜，利用3D打印機(jī)可以直接根據(jù)CAD等電子模型打印實(shí)物的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)3D打印設(shè)備直接打印新裝備進(jìn)行試驗(yàn)。在發(fā)現(xiàn)裝備存在的問(wèn)題后進(jìn)行修改，方便再次試驗(yàn)，大大縮短醫(yī)學(xué)裝備的開(kāi)發(fā)周期。

（2）醫(yī)學(xué)裝備生產(chǎn)方面。很多醫(yī)學(xué)裝備需求量不大，如果引進(jìn)或配備生產(chǎn)線會(huì)造成資源浪費(fèi)，且成本較高。若使用3D打印機(jī)生產(chǎn)，可以大大節(jié)約成本。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，各公司可以直接生產(chǎn)相應(yīng)公司型號(hào)的3D打印機(jī)，客戶先購(gòu)買各公司的3D打印機(jī)，當(dāng)有需求裝備時(shí)則通過(guò)購(gòu)買打印設(shè)計(jì)圖，將設(shè)計(jì)圖傳送到客戶端，在客戶端直接生產(chǎn)出裝備，這樣可以最大程度地節(jié)約人力物力和運(yùn)輸時(shí)間。

（3）醫(yī)學(xué)裝備維修維護(hù)方面。在現(xiàn)有條件下，除了一些小型的醫(yī)療儀器外，大多數(shù)的醫(yī)療儀器設(shè)備都依賴廠家進(jìn)行維修，維修周期較長(zhǎng)。有了3D打印技術(shù)后，可以依據(jù)損壞部分，打印所需替換部位直接替換，節(jié)約時(shí)間，節(jié)約維修經(jīng)費(fèi)和人力。而且現(xiàn)實(shí)中可以將維修部件的打印與廠商銷售儀器的3D打印機(jī)一體化，簡(jiǎn)化操作和成本，一機(jī)就可實(shí)現(xiàn)購(gòu)買和維修2步操作。

（4）隨著3D打印設(shè)備的不斷發(fā)展，使用材料不斷更新，最終有望實(shí)現(xiàn)一臺(tái)3D打印設(shè)備由目前的使用單一原材料轉(zhuǎn)換到根據(jù)不同應(yīng)用方向使用相應(yīng)材料，從而實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，這樣將會(huì)更大限度地發(fā)揮其作用。

當(dāng)然，3D打印設(shè)備還可以用于涉及醫(yī)學(xué)裝備的其他領(lǐng)域。例如，在災(zāi)害等情況發(fā)生時(shí)，由于現(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜，統(tǒng)一的救治工具無(wú)法滿足需求時(shí)，可以通過(guò)3D打印設(shè)備及時(shí)地制作適合環(huán)境需求的裝備、器械或配件。未來(lái)，3D打印技術(shù)的發(fā)展將體現(xiàn)出精密化、智能化、通用化以及便捷化等主要趨勢(shì)[15]。隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，3D打印醫(yī)療裝備必然會(huì)有更廣闊的應(yīng)用前景。

4 討論與結(jié)論

雖然3D打印技術(shù)有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是在應(yīng)用過(guò)程中依然存在許多問(wèn)題。3D打印技術(shù)一般只涉及小數(shù)量、小體積的物體的成型，在實(shí)際情況下，無(wú)法滿足大批量、大體積物體的生產(chǎn)。從目前來(lái)看，3D打印技術(shù)最適合用于新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，而從制造角度來(lái)看，它并不是最合適的[1]。據(jù)專家推測(cè)，利用3D打印技術(shù)制造汽車發(fā)動(dòng)機(jī)，成本是車價(jià)的50倍。因此，雖然3D打印技術(shù)正在不斷發(fā)展，但仍有很長(zhǎng)的路要走，衡量總體利弊以后，目前還替代不了傳統(tǒng)技術(shù)。

如何解決3D打印技術(shù)目前存在的問(wèn)題呢？第一，要加快成型速度，優(yōu)化分層打印的方式。第二，要降低成本，研發(fā)性能更好、成本更低的耗材，減少耗材在打印中的損耗，對(duì)損耗的耗材應(yīng)予以再次利用。第三，將3D打印技術(shù)與流水線的生產(chǎn)方式相結(jié)合，分步生產(chǎn)，以提高效率、提升質(zhì)量、降低成本。

同時(shí)，3D打印技術(shù)在使用過(guò)程中還存在其他問(wèn)題。例如，是否所有能夠通過(guò)打印出來(lái)的物體都允許打?。咳绾伪苊獠环ǚ肿訉⑺糜谶`法犯罪？由于人體器官的打印在慢慢探索和實(shí)現(xiàn)，那么是否有一天人也可以被“打印”出來(lái)呢？這些都是在發(fā)展中還有待考慮的問(wèn)題。

總之，3D打印技術(shù)目前已經(jīng)在眾多領(lǐng)域得到推廣和應(yīng)用。醫(yī)療行業(yè)作為人們關(guān)注的重點(diǎn)領(lǐng)域，該技術(shù)的不斷成熟將會(huì)使醫(yī)學(xué)裝備的研制、生產(chǎn)、維修維護(hù)等方面得到改善和提升。

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（收稿：2014-04-22 修回：2014-07-31）

（欄目責(zé)任編校：李惠萍 傅 靂）

Research progress of 3D printing technology and its application in medical equipment

XIA Yu,ZHANG He-hua,XIANG Hua,WU Xuan,YAN Le-xian,CHANG Fei-ba
（Department of Medical Engineering,Institute of Surgery Research,Daping Hospital, the Third Military Medical University,Chongqing 400042,China）

The concept,principle and history of 3D printing technology are introduced,and its application is summarized from four aspects,especially that in the development,manufacture and maintenance of medical equipment.The disadvantages,problems and prospects of 3D printing technology are pointed out.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（4）：108-110]

3D printing;medical equipment;application

R318；TP334.8+8；R197.39

A

1003-8868（2015）04-0108-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.04.108

夏 煜（1991—），男，助理工程師，主要從事醫(yī)療器械設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)工作，E-mail：912561732@qq.com。

400042重慶，第三軍醫(yī)大學(xué)大坪醫(yī)院野戰(zhàn)外科研究所醫(yī)學(xué)工程科（夏 煜，張和華，向 華，吳 旋，顏樂(lè)先，萇飛霸）

張和華，E-mail：zhanghehua@vip.163.com