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【科普知识】3D打印——医疗健康篇_上海长肯供

发布时间:2018-08-16浏览:559次

 

3D打印作为一项医疗辅助技术,日益成为未来临床医学发展的关键技术之一,受到医学界的广泛关注。伴随计算机软硬件、医学影像及其后处理技术的飞速发展,借助于3D打印技术终可快速实现各种个体化医学模型、手术导板、康复辅具、以及骨科/口腔植入物产品的制造,有助于实现临床手术的个体化、化治疗,服务于临床多个科室。此外,3D打印技术在医患沟通、医学教育等诸多方面也有望发挥无可替代的重要作用。目前,全世界各国都将医学3D打印技术作为推动医学和经济发展的重要动力,而进行积极投入,并获得重要成果。

3D打印技术在生物医学领域的应用可大致分为以下几个方面:

 

1.3D打印个性化诊断或手术规划模型,它们通常不与人体接触,临床应用风险小;

2.3D打印个性化手术导板或外用康复器具等,它们与人体短期接触,材料不能引起皮肤过敏、急性毒性等,临床使用风险较小;

3.3D打印植入器械如骨科关节假体、钛板、骨填充材料等,它们属于长期植入人体的医疗器械产品,临床使用风险较高;

4.3D打印组织工程产品或组织器官。可利用3D打印技术打印多孔可降解支架材料,再复合细胞和生长因子等形成具有生物活性的组织工程产品,也可以直接层层打印细胞或细胞材料复合物形成组织器官,如3D打印血管、肝脏、肾脏等。

 

一、3D打印个性化诊断或手术规划模型

医生手术前通过CT、核磁共振(MRI)等设备获取患者的影像数据,然后据此进行病患诊断和手术规划,但是这些医学影像数据都是二维的,不够直观。如果利用软件将二维数据转成三维数据,再通过3D打印机打印出三维模型,相比二维医学影像数据,三维模型更加逼真和直观,医生和病人可以直接触摸操作,既可辅助医生进行的三维测量、手术规划和模拟手术操作以提升手术的成功率,也方便医生与患者就手术方案进行直观的沟通,特别是对于难度大、风险高的手术,3D打印术前诊断和手术规划模型尤为重要。


(补充案例)
       2013年4月9日,日本一家医院的医生先使用刀具切割了一个由3D打印机打印的患者肝脏的三维复制品。这个模型帮助医生计算出如何切割肝脏,并成功的进行了肝脏移植手术.先天性心脏缺陷是出生缺陷中常见的类型,每年有近1%的新生婴儿有此类问题。对婴幼儿进行心脏手术要求医生在一个还没有完全长成的小而精致的器官的内部操作,难度非常高。在美国肯塔基Louisville的Kosair儿童医院,心脏外科医生Erle Austin在对一个患有心脏病的幼儿进行复杂的手术之前,用3D打印的模型规划和实验,保障了手术的成功完成。


     3D打印医学模型可采用熔融挤出沉积成型(FDM)、立体光固化(SLA)、选择性激光烧结(SLS)、粉末喷墨粘结(3DP)等3D打印技术。FDM 3D打印设备和材料费用较低,可选用的材料包括ABS、PLA等高分子材料,有多种颜色可选,但缺点是打印精度不高,打印速度较慢,去除支撑等后处理工作复杂,表面比较粗糙。SLA 3D打印设备价格适中,打印速度和精度较高,但是采用的光敏树脂材料价格较贵,对环境有一定污染。SLS 3D打印设备价格较贵,打印速度和精度较高,不需要支撑结构,后处理较简单,打印的尼龙材料韧性较好,但是颜色单一。3DP技术设备价格适中,打印速度快,可打印多彩色模型,缺点是采用的石膏粉末材料太脆,打印强度偏差,需要后处理加强等。

二、3D打印个性化手术导板或外用康复器具

手术导板是将手术规划方案准确的在手术中实施的辅助手术工具。例如在外科手术中,医生通过预先设计出的手术导板可以控制植入器械的放置位置和角度,实现植入器械的安装,也可以准确定位需要截骨的位置和方向,以实现病灶部位的切除。传统手术需要凭借医生的经验进行,而借助3D打印手术导板,可降低手术难度,提高手术度,使得年轻医生也可以进行一些复杂的外科手术。3D打印手术导板根据应用领域的不同可分为关节假体安置导板、脊柱定位导板、口腔种植体导板、截骨导板等,设计过程需要借助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3D模型,终通过3D的打印设备将导板打印出来。


     以3D打印锥体内固定置钉导板为例,首先对目标椎体进行三维CT薄层扫描,扫描层厚在1mm左右,以Dicom格式保存。将Dicom格式文件导入3D图像生成及编辑处理软件,生成目标椎体的三维模型,以STL格式导出。导入逆向工程软件等,设计置钉通道,提取椎板、棘突及关节突后面的表面解剖形态,建立与其解剖形态相一致的反向模板。将置钉通道与模板拟合成一体,即形成带有导向孔的导航模板,以STL格式保存。后导入3D打印机,打印出椎体模型及置钉导板。
 

FDM 技术、SLA技术和SLS技术都可以用于手术导板的制作,各有优缺点,通常来说FDM技术适合于精度要求不高的领域,且因为强度差,不适合制作厚度较薄的导板,易在手术过程中发生导板断裂和变形;SLA技术打印精度高,具有一定的强度,适合打印体积较小、高精度和需要一定强度的手术导板,如口腔种植导板等;也可以采用选择性激光熔融技术(SLM)制备金属导板,优点是打印导板的精度高、强度极高,尤其适合加工直接引导钻头、摆锯甚至骨刀的手术导板,但是打印设备和耗材成本较高。实际使用时,需要根据使用领域和性能要求综合考虑需要采用的3D打印技术和材料。

三、3D打印个性化康复器具

假肢、助听器、矫正器具等康复医疗器械同样具有小批量、定制化的需求,并且它们的设计具备复杂性,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打印技术有望降低单个定制化康复辅具的制作成本,以假肢举例,利用3D打印技术制作童假肢,成本仅有几百美元,而常规的假肢价格高达数万美元。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。

四、3D打印骨科植入或口腔器械

利用3D打印技术可直接制备钛合金、钴铬钼合金的植入器械,如3D打印的钛合金骨盆假体、脊柱融合器、3D打印钴铬钼合金牙冠等均已经实现临床应用。利用3D打印技术除了可制备复杂外形的植入器械外,还可以制备完全连通的多孔结构,用在骨科植入器械领域,可促进周围骨组织长入孔隙内部,提高植入器械与周围组织的结合力。


五、3D打印组织工程产品或器官

Boland等于2003 年提出“细胞打印”技术的概念,该技术突破了传统组织工程技术空间分辨率低的局限性 ,可控制细胞的分布。在“细胞打印”过程中 ,细胞(或细胞聚集体)与溶胶(水凝胶的前驱体)同时置于打印机的喷头中,由计算机控制含细胞液滴的沉积位置 ,在指定的位置逐点打印 ,在打印完一层的基础上继续打印另一层 ,层层叠加形成三维多细胞/凝胶体系.

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