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3d打印在医疗领域的应用 3D打印与医疗行业白皮书

来源:e键打印   发布时间:2016-08-26 11:11:07   浏览次数:2049

3d打印在医疗领域的应用 3D打印与医疗行业白皮书

3D打印技术能够为医疗行业提供更完整的个性化解决方案; 生物3D打印技术将促进再生医学领域在人造活体组织与器官的研究。 

在个性化解决方案方面,比较典型的应用有3D手术预规划模型、手术导板、3D打印植入物,以及假肢、助听器等康复医疗器械。

在再生医学领域,研究人员已经在利用生物3D打印技术培养人造器官方面取得了值得肯定的进展。本文将以案例形式来呈现3D打印技术在医疗行业的各种应用。

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1.3D打印与手术规划模型

3D打印在肝肿瘤外科诊治中的最新应用。南方医科大学珠江医院肝胆医科及南方医科大学解剖学教研室、广东省医学生物力学重点实验室,将三维可视化、3D打印和3D腹腔镜技术相结合,应用于肝脏肿瘤的外科诊治。

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其中,3D打印模型的数据是通过三维可视化软件(MI-3DVS),对导入的二维CT数据进行快速图像分割、配准和三维重建而来。在获得可用于打印的STL 三维图像文件之后,通过3D SystemsSpectrum ZTM 510 3D打印设备打印出1:1的物理3D模型。 3D打印的1:1模型,真实立体的反映了肝肿瘤与脉管的空间关系。通过3D打印肝脏模型,医生

在手术前得以进行手术预规划和手术过程中进行手术指导。在进行腹腔镜肝切除手术时,医生将3D打印模型带入手术室中与手术进行比对,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导航,最终顺利完成手术,并减少手术时间和并发症。


2.3D打印手术导板

医生在手术预规划阶段,可以进行手术导板的设计。设计过程需要借助软件(如:比利时Materialise公司Magics软件)在手术部位三维模型中做出标记线,通过逆向工程得到可贴附于需要手术的人体组织表面的导板模型,最终通过3D的打印设备将导板打印出来。可用于制作手术导板的3D打印技术很多,例如:FDM、SLA、3DP、SLS、SLM...每种3D打印技术使用的打印材料、加工时间、打印产品强度各不相同。 第四军医大学西京骨科医院骨肿瘤科曾经对FDM、SLA、3DP、SLM(西安铂力特激光立体成形技术) 4种不同3D打印技术和材料制作的3D打印手术导板进行了研究和对比。研究样本包括31例患者。

为方便读者在今后工作中进行参考,我们将以图表形式来重现以上研究结果:

4种3D打印技术和材料加工手术导板的对比

 (数据来源:《多种3D打印导板在骨肿瘤切除重建手术中的应用》)

4种3D打印技术和材料加工手术导板的优缺点

 (数据来源:《多种3D打印导板在骨肿瘤切除重建手术中的应用》)

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3.3D打印骨科植入物

使用3D打印技术能够制造出更多先进合格的植入物和假体。3D打印技术也让定制化植入物的交货速度得以提升,从设计到制造一个定制化的植入物最快时可以在24小时之内完成。工程师通过医院提供的X射线、核磁共振、CT等医学影像文件,建立三维模型并设计植入物,最终将设计文件通过金属3D打印设备制造出来。

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上海九院3D打印骨盆假体重建手术

上海交通大学医学院附属第九人民医院戴尅戎院士和郝永强教授领衔的骨肿瘤团队,曾为一位44岁男性患者成功实施了骨盆软骨肉瘤切除后假体重建手术。患者术后3天即能进行康复训练和下地,术后2周已能扶拐行走,术后10月可完成下蹲和驾驶汽车。

作为真正意义上的3D打印骨盆假体重建手术的成功,标志着3D打印技术在骨科临床应用领域取得的又一个突破。自上世纪80年代开始,上海交通大学医学院附属第九人民医院骨科即与上海交通大学王成焘教授合作,应用3D打印技术制作骨盆肿瘤病人的骨盆模型,进行模拟肿瘤切除及个性化假体的设计和试安装。这台与3D打印技术相结合的骨科手术主要具有5个特点:


1)假体的制作同时利用3D打印进行快速原型模型制造和直接金属打印半骨盆假体;

2)假体的设计同时解决了肿瘤周围肌肉软组织大块切除后的伤口闭合问题;

3)3D打印的假体有多孔表面,有利于残余肌肉的附着点重建;

4)手术中使用了3D打印导板的引导技术;

5)假体上的螺钉孔道是手术前根据3D打印模型设计规划的,具有可靠的导向作用,医生在手术时根据孔道的引导钻入长螺钉,可以成功的避开神经和髋关节间隙,让手术变得更安全、精准。

目前,直接3D打印的内植物还用于骨骼大块缺损病人的个体化充填内植物的制作,并已用于临床。


4.3D打印技术与康复辅具

与3D打印钛合金定制化飞机零部件和超级轿跑个性化零部件一样,假肢、助听器等康复医疗器械同样具有小批量、定制化的需求,并且设计具备复杂性,传统数控机床受到加工角度等因素的限制往往难以实现。

利用3D打印技术制作单个定制化康复辅具的成本会显著下降。以3D打印假肢举例,传统假肢特别是针对儿童,美国的创客团队曾与3D打印公司Stratasys合作,为一位儿童制作假肢,成本仅350美元,而常规的假肢价格高达4万美元。在儿童的成长中需要多次更换假肢,如果购买传统的假肢将会给家庭带来沉重负担。然而,假肢在设计时既要考虑舒适安全性,又需要考虑运动功能,这两种性能之间存在的“刚”与“柔”的矛盾需要解决。在设计前,需要科学的采集佩戴者的扫描数据。

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因此,3D打印康复医疗器械的推广需要专业的医疗器械服务商介入,从数据采集、设计、成型以及产品的认证方面进行专业的操作。

美国一个学生团队用3D打印机为一名出生就没有右臂的六岁男孩做了一条手臂。制作完成后,中佛罗里达大学(UCF)的航空航天工程专业博士生ALBERT MANERO带领着他的团队,将义肢送给了这位来自佛罗里达格罗夫兰的小男孩ALEX PRING。小男孩很快就适应了这条手臂。


5.3D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。

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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。

许多牙科诊所或实验室都有利用3D打印机来制造患者牙齿模型。制作模型需要的三维数据可以通过直接扫描口腔来收集(扫描整个口腔大约需要2分钟),或者通过间接扫描传统的物理模型的方式来收集。-17 牙科3D模型可以用作模具并使用传统方法辅助生产牙冠、假牙等。

另一种作用与骨科、肿瘤手术3D模型类似,即用来模拟、规划手术过程,或与患者沟通手术过程。


6.生物3D打印

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前面提到的使用金属、塑料等非活体组织材料3D打印的定制化假肢、牙科、骨科植入物、助听器外壳等医疗器械都属于“初级阶梯”。而打印血管、软骨组织这类单一的活体组织属于“中级阶梯”。3D打印的人工肝脏、心脏等人工器官则属于“顶级阶梯”。无论是人造血管、软骨组织,还是肝脏组织、肾脏组织,其核心是特定类型细胞的分离(或定向诱导)及大规模扩增。而生物3D打印技术,在人工组织、器官培养过程更多承担了三维形状的构建,即让人体细胞按照预先设计好的形状来生长。因此人造器官、组织的发展更大程度上取决于生物技术的发展。

英国未来学家Christopher Barnatt, 在explainingthefuture.com 网站中公布了可以省实现"顶级阶梯"应用的生物打印机概念图,我们可以通过下图对于未来的目标先睹为快:


7.3D打印与定制化药物

通过调整打印液流速、喷头移动速度、打印液液滴直径、粉末铺层厚度、喷涂次数、喷涂角度、喷涂位置等工艺参数,可以改变药剂中含量、辅料成分和组成,从而改变药物释放速率和释放量,使得具体的生产过程灵活而简单,通过CAD(计算机辅助设计)为单个患者设计制造理想化的治疗方式成为可能。

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英国中央兰开夏大学利用3D打印技术研制针对患者需要定制的药物

英国中央兰开夏大学研究人员正在研究一种3D打印药物技术。这种3D打印药物技术在医学领域的应用有其固有的优势。首先,量产的药物制作成本较低。其次,3D打印药物可以更具患者需要定制药物。3D打印药物技术的关键之处在于可3D打印的药物材料。

目前,来自药剂与生物医学科学院的Mohamed Albed Alhnan团队开发出一种药物线材。该团队表示目前正在申请相关专利,3D打印药物技术可以根据实际需要打印出药片。根据患者的需要精确的配比药物不同成分的含量。实现真正意义上的个性化医疗。

这是医学领域的一大进步,不仅可以降低部分成本,而且可以实现私人定制。3D打印药物技术在材料上可以解决药物作为3D打印材料的难题,同时可以作为私人药剂师,只要一台基于FDM成型技术的3D打印机,让我们期待3D打印药物技术尽早的获得推广应用。

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