增材制造醫(yī)療器械設(shè)備領(lǐng)域結(jié)構(gòu)優(yōu)化

謝宇玲

（福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福建 福州 350008）

1 增材制造

1.1 增材制造的介紹

增材制造是一項(xiàng)技術(shù)，它還有另一個(gè)別稱叫“3D打印”，英文簡(jiǎn)稱AM，它主要是借助計(jì)算機(jī)來做設(shè)計(jì)，還有各個(gè)工廠都常見的材料加工和成形技術(shù)。增材制造以軟件和數(shù)控系統(tǒng)來進(jìn)行制造，數(shù)字模型文件是一個(gè)基本文件，它通過擠壓的手段、燒結(jié)的方法和光固化的形式進(jìn)行一系列操作層層堆放，用于金屬和非金屬材料、醫(yī)用生物材料，并最終用于制造出需要的物品。它主要使用的能源多為光的元素，例如，激光、電子束、紫外光等，還有許多不同的材料，但是，由于成型方式和材料的選擇不同，冷凝熱源也不同，導(dǎo)致凝結(jié)熱源種類也不同。主要分成四種不同的情況：第一種為分層實(shí)體制造工藝技術(shù)（LOM），第二種主要是立體光刻（SLA）的關(guān)鍵技術(shù)，還有就是選擇性激光燒結(jié)（SLS）和熔融沉積成型（FDM）工藝技術(shù)。它的優(yōu)勢(shì)主要是可以制造出任意復(fù)雜的零件，實(shí)現(xiàn)“自由制造”。解決了很多工業(yè)上的難題，使它的加工工序的時(shí)間也大大減少。

1.2 增材制造的簡(jiǎn)單背景

增材制造技術(shù)在過去的30年里，它甚至不是主要的工業(yè)技術(shù)，而是一個(gè)非商業(yè)化的技術(shù)，但是，它經(jīng)歷了飛速發(fā)展，后來已經(jīng)形成了專業(yè)精確的技術(shù)。一開始它是通過二維圖層疊加的方式成型三維的地形圖。但是，1960～1980年，它融合了光聚合設(shè)計(jì)、粉末熔融工藝和薄片疊層技術(shù)，技術(shù)已經(jīng)在加快進(jìn)步，但是當(dāng)時(shí)沒有太大的市場(chǎng)，對(duì)研發(fā)的投入就非常少。90年代后，出現(xiàn)電子束熔化等先進(jìn)的技術(shù)，具有商業(yè)生機(jī)，大量研究者開始轉(zhuǎn)向開發(fā)AM相關(guān)軟件，制造出AM專用文件格式和專用軟件。2000年后期，金屬AM更是在其中脫穎而出，成為焦點(diǎn)，許多AM技術(shù)也在飛速地提升。

1.3 發(fā)展趨勢(shì)

國外非常重視增材制造的技術(shù)，把它放入了國家戰(zhàn)略和規(guī)劃，這個(gè)技術(shù)已經(jīng)受到政府、研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)的廣泛支持，并且美國在制造業(yè)改革方面投資了10億美元，成立了美國增材制造創(chuàng)新研究所，以及40多家公司和專業(yè)協(xié)會(huì)。不只有英美在采取措施，德國建立了直接研究中心，目的在于利用增材制造技術(shù)發(fā)展航空航天領(lǐng)域中部分方面應(yīng)用，法國建立研究所去專門研究，西班牙建立專項(xiàng)，包括很多方面，主要為共性技術(shù)、材料、技術(shù)交流和商業(yè)模式方面的增材制造，還有日本也在通過各種手段在發(fā)展。

激光熔覆成形與修復(fù)裝備被我國的一群大學(xué)生和老師建立了凝固技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行以上操作，這一技術(shù)可以滿足“自由拆卸”，西安交大已經(jīng)研究出光固化快速成型技術(shù)，國家還為此制造了工程研究中心，在專研下形成了一套快速制造系統(tǒng)，并且他們還研究了許多不同方面的制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了光子晶體、一體化鑄型等復(fù)雜的零件制造。還有上海理工大學(xué)的突出奉獻(xiàn)，在這些奉獻(xiàn)下，我國在許多方面的增材制造取得了重大突破，例如，用于制造附加材料的電子和電氣技術(shù)。還有我國本土企業(yè)自主研發(fā)的“立體電路制造工藝”，這是電子產(chǎn)品范圍應(yīng)用技術(shù)的一個(gè)分支。我國增材制造技術(shù)正在全面地發(fā)展和進(jìn)步，相信未來幾年還會(huì)有大的飛躍。

2 人體植入

2.1 骨骼

增材制造技術(shù)在醫(yī)學(xué)上也應(yīng)用得非常廣泛，主要輔助醫(yī)療器械來進(jìn)行手術(shù)操作，例如，人體植入和手術(shù)導(dǎo)向模板等，由于不斷地實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)增材制造技術(shù)應(yīng)用在骨外科領(lǐng)域效果非常好，骨外科主要是對(duì)骨骼出現(xiàn)各種問題的解決，而增材制造技術(shù)可以對(duì)壞損的骨骼進(jìn)行重新的植入，并且根據(jù)壞損的程度不同，植入物的形狀都不相同，這樣普通的技術(shù)就無法更準(zhǔn)確地完成操作，而增材制造技術(shù)則剛好解決了這個(gè)問題。首先，是因?yàn)樵霾闹圃旒夹g(shù)自身就擁有不銹鋼、鈷鉻合金這類材料，本身就具有，就避免后天的添加出現(xiàn)錯(cuò)誤。在使用專業(yè)的設(shè)備進(jìn)行激光束的打造，就可以很好地進(jìn)行修補(bǔ)骨骼。其次，是增材制造技術(shù)根據(jù)患者的實(shí)際情況進(jìn)行專業(yè)和個(gè)性化的手術(shù)設(shè)置，讓手術(shù)成功的概率更大，它可以在手術(shù)的技術(shù)上極大地減少放射性暴露，使放射劑量均衡，近而減少手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)的概率。它還可以減少術(shù)后感染，可以更加保證身體的健康、手術(shù)的效果。

2.2 骨科標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品

植入物主要應(yīng)用于骨科，主要應(yīng)用于骨骼、關(guān)節(jié)、脊柱等，我國標(biāo)準(zhǔn)化植入物產(chǎn)品已獲得國家食品藥品監(jiān)督管理總局批準(zhǔn)。一些醫(yī)學(xué)研究院在研制制造人工髖臼杯和人工椎體的金屬增材制造方面進(jìn)行了合作。然后，進(jìn)行相關(guān)的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行一系列的器官植入在動(dòng)物體內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探索，以觀察用電子束打印間融合器是否具有良好的脊柱修復(fù)效果，這些效果能否應(yīng)用在所有患者中間。其次，查看它是否具有穩(wěn)定性，植入以后會(huì)不會(huì)出現(xiàn)變質(zhì)或其他影響，考慮多方面的問題，再進(jìn)行改正，多實(shí)踐，真正應(yīng)用在我們的骨骼中。

2.3 定制式植入物的應(yīng)用

由于增材制造的效果非常好，并且可以滿足形狀大小的隨意變化，因其實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的個(gè)性化生產(chǎn)，逐漸在醫(yī)療行業(yè)開始大量推廣使用，制定量身的手術(shù)設(shè)置，使患者更加放心、安心，對(duì)醫(yī)生更加有信心。它的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品有很多，可以是應(yīng)用骨骼的矯正器，對(duì)骨骼進(jìn)行矯正和維護(hù)；還可以是對(duì)脊柱進(jìn)行矯正側(cè)彎的矯正器，如今脊柱病非常嚴(yán)重，人們低頭玩手機(jī)，走路也玩手機(jī)，造成脊椎的彎曲、脊柱的側(cè)彎，整個(gè)矯正器就非常方便，使人們更加愿意去矯正，而不是不管不顧。再有就是專門定制的骨科植入物和助聽器，眾所周知，每個(gè)耳力有殘疾的人都需要借助助聽器，助聽器不是隨便買一個(gè)就行，每個(gè)人的聽力程度是不同的，屬于自己的才是最好的，并且有人帶時(shí)間長(zhǎng)會(huì)出現(xiàn)不適，這些都需要我們注意，這樣每個(gè)耳力有殘疾的人都可以聽見屬于自己的聲音，可能改變他們的一生，帶給他們自信。但是，對(duì)于骨骼的植入處理，要具有優(yōu)秀的增材制造設(shè)備，還應(yīng)該具有高超的技術(shù)，醫(yī)生在進(jìn)行手術(shù)時(shí)要快準(zhǔn)精，根據(jù)增材制造的準(zhǔn)確設(shè)計(jì)，分析準(zhǔn)確患者的結(jié)構(gòu)特征，進(jìn)行定制式植入物。

2.4 增材制造植入物應(yīng)用舉例

（1）膝關(guān)節(jié)假體。它的病因因人而異，解剖的結(jié)構(gòu)也會(huì)存在差異，并且膝關(guān)節(jié)假體有股骨內(nèi)外側(cè)突出（overhang）的情況或者是脛骨旋轉(zhuǎn)對(duì)齊不良。這時(shí)我們就需要增加假體的尺寸規(guī)格，再借助解剖型脛骨平臺(tái)來進(jìn)行操作。國外一家公司推出一種定制的假體，它的主要原理是通過其生產(chǎn)的專業(yè)軟件對(duì)患者的影像數(shù)據(jù)（CT或MR掃描）進(jìn)行掃描查看，這樣就可以定制專屬自己的膝關(guān)節(jié)假體和專用手術(shù)機(jī)器。還可以通過患者的解剖和影像數(shù)據(jù)來設(shè)計(jì)專有的手術(shù)設(shè)備來進(jìn)一步制定手術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)其壞損部分的精確定位，更加有效地解決手術(shù)問題，更好地完成手術(shù)。

（2）椎間融合器。它是適用于較小的產(chǎn)品尺寸和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，一般用于退行性椎間盤疾病的椎間融合術(shù)，使這個(gè)疾病有所好轉(zhuǎn)，降低它的疼痛性，它的主要原理是利用增材制造技術(shù)在患者的椎間融入多孔結(jié)構(gòu)，這樣就有利于骨骼的骨長(zhǎng)進(jìn)行穩(wěn)定的增長(zhǎng)。

2.5 藥物

增材制造技術(shù)具有非常多的優(yōu)點(diǎn)，其中很重要的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是可以對(duì)不可釋放的可溶性化合物的藥物進(jìn)行釋放，并且最近研發(fā)出可以使不溶于水的藥物進(jìn)行釋放。另外，因?yàn)樗奈镔|(zhì)空間分布的準(zhǔn)確性和靈活性，可以在多種藥物之間進(jìn)行聯(lián)合配制。最近研究中還制造出迷你藥丸，使口服更加快速。都知道喝藥是一件非常痛苦的事情，這樣可以更好地解決我們的恐懼感，所以增材制造在藥物方面的進(jìn)步空間還有很大，作用也還有很多，它可以制造多種復(fù)雜幾何的藥物，形狀各異，但是效果不減反增，可以通過增材制造技術(shù)來根據(jù)它的形狀制定藥物的釋放曲線。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化及未來發(fā)展

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

（1）增材制造技術(shù)應(yīng)用的范圍非常廣和雜，要想在一方面有重大的突破，就需要在這方面進(jìn)行不斷的細(xì)化分析，再加上專業(yè)的知識(shí)進(jìn)行具體的分析，結(jié)合相關(guān)的技術(shù)，一起融合起來，尤其是醫(yī)療設(shè)備相關(guān)的技術(shù)，相差一點(diǎn)則差距巨大，很多專業(yè)名詞與專業(yè)技術(shù)，以原理為基礎(chǔ)，增材制造技術(shù)為核心進(jìn)行一些列的改善和提高。

（2）還有就是引進(jìn)大量的優(yōu)秀人才，全方面的優(yōu)秀人才，不論是醫(yī)療方面還是技術(shù)創(chuàng)造方面，都需要優(yōu)秀的頂尖人才，為國家做出自己的奉獻(xiàn)，為科研事業(yè)所犧牲自己寶貴的時(shí)間，利用自己的專業(yè)知識(shí)跟隨導(dǎo)師做出一些新的突破，國外也在大力地進(jìn)行增材制造技術(shù)的推廣和研發(fā)，我們不能在這方面落后，人才培養(yǎng)是關(guān)鍵，才可以做到結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和升級(jí)。

（3）國家的大力支持，政府應(yīng)該加大重視增材制造技術(shù)的發(fā)展，建立專門的研究機(jī)構(gòu)，進(jìn)行分析研究，建立大學(xué)實(shí)驗(yàn)室讓學(xué)生積極投身于科研事業(yè)中，鼓勵(lì)企業(yè)進(jìn)行增材制造技術(shù)的創(chuàng)新或是產(chǎn)品的研制，藥物科技集團(tuán)更加精確的參數(shù)，使可以使用該技術(shù)的方向更加廣，范圍更加大，使它的結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化，形成自己的制造系統(tǒng)。國家投入資金為研發(fā)做堅(jiān)實(shí)的后盾。

3.2 未來發(fā)展

上面只是具體分析了其中醫(yī)療機(jī)械領(lǐng)域的創(chuàng)造，并沒有分析全部使用增材制造的領(lǐng)域，但是我國的產(chǎn)業(yè)種類更是非常的多，還會(huì)有許多產(chǎn)業(yè)的技術(shù)沒有覆蓋全面，還有許多可以進(jìn)步的空間，可以全方位覆蓋，達(dá)到生產(chǎn)效率的提高，未來發(fā)展的潛能非常巨大。如今人們的生活水平非常高，加班時(shí)間多，壓力大，飲食不好，使自己的身體出現(xiàn)了各種問題，我們只是根據(jù)如今的疾病進(jìn)行分析判斷，使用增材制造的技術(shù)的醫(yī)療設(shè)備加快解決疾病和制定適合的設(shè)置，但是還有許多隱藏的疾病沒有被我們發(fā)現(xiàn)，以后還有許多醫(yī)療設(shè)備可以使用增材制造的技術(shù)，還有藥物的新型研發(fā)都可以使用，它在未來的作用非常重大。它也應(yīng)用在許多重點(diǎn)建設(shè)工程上，航空領(lǐng)域，對(duì)于飛機(jī)的制造材料的特殊性也會(huì)應(yīng)用AM技術(shù)，國防軍工中的設(shè)備制造，金屬材質(zhì)的制造，還有我們生活常用的汽車領(lǐng)域的增材制造，所以它在未來的發(fā)展趨勢(shì)不容小視，很多研究人員在努力地研發(fā)更新的科技，它已經(jīng)有很高的技術(shù)了，如果再不斷提升，它將會(huì)有更大的未來。

4 結(jié)語

增材制造是我國一項(xiàng)重要的技術(shù)，它的應(yīng)用使我國工業(yè)、航天、國防、醫(yī)療都有重大的突破，它在我們生活中占有重要的作用，增材制造在國內(nèi)外都占有重要的研究地位，我國應(yīng)該更加重視和發(fā)展該項(xiàng)技術(shù)，在這項(xiàng)上超越其他國家，對(duì)增材制造技術(shù)進(jìn)行不斷的優(yōu)化，使它更加完善，覆蓋的領(lǐng)域更加多。但是，也要具備素質(zhì)較高的研究員，在后方進(jìn)行付出，增收優(yōu)秀的青年、具有實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的青年、不怕苦不怕累的青年，為我國的科研項(xiàng)目做出自己的奉獻(xiàn)。對(duì)于醫(yī)療機(jī)械設(shè)備更應(yīng)該進(jìn)行大量的投入，因?yàn)楦緹o法預(yù)見什么疾病前到來，例如，2019年出現(xiàn)的新型冠狀病毒，我們沒有人可以猜到它一發(fā)生就是3年，不知道還需要幾年才可以消失，但是，我們有研發(fā)疫苗，在有效的控制，以后可能還會(huì)發(fā)生很小的疾病，多制造一種技術(shù)，可能就營救一類人的生命。技術(shù)不怕多，好的技術(shù)更是，我們要不斷地創(chuàng)新不同的技術(shù)，增強(qiáng)其結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，使結(jié)構(gòu)更加完善，避免出現(xiàn)故障等小的問題，及時(shí)檢查結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)，各方面都做到更好。