医疗3D打印技术,未来的发展方向在何方

国际金属加工网 2020年03月18日

国内医疗行业3D打印技术的应用始于上世界80年代后期,最初主要用于快速制造3D医疗模型,在当时,3D打印技术主要用来帮助医生与患者沟通、准确判断病情以及进行手术规划。可以说,我国在医疗行业对于3D打印技术应用的探索起源已久,并伴随着3D打印技术的发展走向深入。

近年来,随着3D打印技术的发展和精准化、个性化医疗需求的增长,3D打印技术在医疗行业应用在广度和深度方面都得到了显著发展。在应用的广度方面,从最初的医疗模型快速制造,逐渐发展到3D打印直接制造助听器外壳、植入物、复杂手术器械和3D打印药品。在深度方面,由3D打印没有生命的医疗器械向打印具有生物活性的人工组织、器官的方向发展。本文主要介绍医用3D打印技术在如下5个领域的最新进展。

1、手术规划模型,对于风险高难度大的手术,术前规划十分重要。传统上,通过CT、核磁共振(MRI)等影像设备获取患者的数据,是做医生手术预规划的基础,但得到的医学影像是二维的,之后还需要利用软将二维数据转成逼真的三维数据。3D打印机可以将三维模型直接打印出来,既可辅助医生进行精准的手术规划、提升手术的成功率,又方便医生与患者就手术方案进行直观的沟通。此外,即使在治疗失败,3D打印也可以为医患双方提供可溯源的依据。

医疗3D打印技术,未来的发展方向在何方

2、植入物,一些植入物是通过铸造或传统的金属加工方法来制造的,需要首先制造出模具,对于只需要一件或者少量的植入物来说,单件生产成本十分昂贵。对于结构复杂的特殊植入物,使用从传统技术也难以实现。而3D打印技术用于制造骨科植入物,可以有效降低定制化、小批量植入物的制造成本,并可以制造出更多结构复杂的植入物。近年医疗行业越来越多地采用金属3D打印技术(直接金属激光烧结或电子束熔融)设计和制造医疗植入物。在医生与工程师的合作下,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。

3、骨骼替换,对于需要切除骨骼的患者来讲,这无疑是一个天大的好消息,如今通过3D打印机可以打印用于替换人体骨骼的钛合金“骨骼”。目前已研发了几十种3D打印机打印出来的钛合金人体“骨骼”,其中颈椎椎间融合器、颈椎人工椎体及人工髋关节3个产品已进入临床观察阶段。

与传统的金属骨骼相比,3D打印“骨骼”不但尺寸非常精确,而且带有可供骨头长入的孔隙(打印出网状结构),相邻骨头在生长的过程中会进入孔隙,使真骨与假骨之间牢固地结成一体,使患者的恢复期缩短。这项技术同样要用到上面讲的CT扫描,三维重建技术,再使用金属3D打印机打印出钛合金骨骼。

4、皮肤修复,有研究者研究将不同细胞外基质应用于皮肤3D打印技术中,这样可以最大限度将皮肤的活性及其他天然属性提高,使得移植后受损皮肤的修复及打印皮肤与正常皮肤有效地融合。将人皮肤成纤维细胞和角朊细胞直接沉积在支架上,取得了良好的皮肤组织再生效果,采用静电纺丝技术制成多层胶原支架。

5、生物3D打印,之前提到使用金属、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”

新加坡南洋理工大学的Leong等试图研究适合于SLS技术的聚合物及其成形结构的特性,提出了制造条件、制造精度、材料生物相容性和可重复性是3D打印技术的关键要素,利用选择性激光烧结制造血管支架结构。Lee等制备了内径1mm的3D打印水凝胶管道模型,成功诱导周围毛细血管形成了微血管床。

无论如何,3D打印技术在医疗领域的初步应用,已经颠覆了人们对现有医疗的认知,众多发达国家都投入了足够的人力及资金,以期将此作为人类健康的全球战略。基于3D打印技术的再生医学组织工程,已经成为继人类基因大规模测序完成之后,生命科学中最活跃的发展领域之一及科技竞争的焦点,在国际性的产业竞争热潮来临之前,掌握关键技术就获得了生命科学前沿技术的制高点。


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