3D打印技術在抗擊新冠肺炎疫情中的應用

文/丁紅瑜 唐佩堯

2019年底，湖北省武漢市檢測出新型冠狀病毒感染的肺炎病例（后被世界衛生組織命名為COVID-19），后來疫情發展迅速，蔓延至全國。2020年1月20日，國家衛生健康委員會發布通告，將COVID-19納入乙類傳染病，并采取甲類傳染病防控措施。2020年2月，在黨中央的堅強領導，全國醫護人員大力支持和全體人民的積極配合下，國內的疫情得到了控制。但隨后疫情在國外繼續爆發，對全球的政治，經濟，文化和人們的生產生活造成了深遠的影響。

為應對疫情，各行各業的人們都付出了艱辛的努力，這其中，科技工作者是一股十分重要的力量。在應對傳染病方面，護目鏡、口罩、測溫儀等必備的防護物資對于阻斷傳播鏈，保護醫護工作者，一線工作人員，防止交叉感染的重要性毋庸置疑[1]。由于疫情發展迅速，防護物資的生產、調配、運輸在短時間內難以跟上，給疫情防控工作造成極大困難。3D打印技術具有很多獨特的優勢，如：無需模具，生產工藝簡單；零件直接成形，無需或僅需少量后續加工；產品的迭代更新快，轉換成本低；可以在現場生產，即產即用，省卻了中間的配送環節，節省了寶貴的時間，實現快速響應等等。此外，還可共享數據模型，利用云制造平臺實現網絡協同生產，提高并行生產效率，滿足更大量級的批量需求。這些特點使得3D打印技術在防護物資的應急保障方面有廣泛的應用空間，在某些場合起到了不可或缺的作用。

一、3D打印技術在國內抗擊疫情方面的應用

（一）3D打印新型冠狀病毒肺部感染病例模型

2020年1月27日，距國家發布管控措施僅一周時間，全國首個新型冠狀病毒肺部感染病例3D模型便成功建模并完成打印，如圖1所示。

圖1 新型冠狀病毒肺部感染病例3D模型

該醫療病灶模型是確診感染者5天左右的肺部病灶，根據病灶CT圖數據進行3D重建得到模型數據后，使用Stratasys J750的PolyJet多材料體素全彩3D打印技術打印完成。該技術可控制每個體素的材料配比、顏色值、肖氏硬度等，可對透明度區域調整透明度。之前醫生賴以診斷的肺部病變CT圖像都是平面的，僅能顯示某些病理切面信息；3D打印模型真實地再現了患者肺部的支氣管、動脈、靜脈、肺段，既可以立體旋轉觀察，還可在模型上進行模擬臨床操作，有助于醫學專家更直觀地進行病例分析和演繹，也便于他們對病例實體分析或演進過程的講解，研討交流，從而對疫情的研究，治療提供幫助，具有重要意義[2]。

（二）3D打印護目鏡

隨著疫情的快速發展，各地定點醫院醫用防護物資緊缺。湖南云箭集團有限公司利用自身既有3D打印技術，緊急研制生產醫用護目鏡，支援抗擊疫情前線.該項目得到了國防科工局、兵器裝備集團以及湖南省關注和大力支持，通過開辟“綠色通道”，以最快速度審批資質。2月7日下午，首批3D打印FDM型醫用護目鏡獲長沙市市場監督管理局備案準入。目前，公司正開足馬力生產，2月10日交付第一批500套產品，如圖2所示。

接下來不到6天的時間里，他們一邊學習消化國家標準，一邊優化設計，通過反復驗證攻關近7天，湖南云箭完成第一型產品定型設計，并同步推進資質辦理、原材料采購、后勤保障等相關工作。而傳統的護目鏡制作開模時間長達14天，且一旦成形很難進行更新迭代。而利用FDM 3D打印技術生產的醫用護目鏡，不僅生產速度快，密封度高，重量只有普通護目鏡的3/4，而且還可根據個人面部數據實現私人化定制，最大限度滿足防疫一線需求。

圖2 3D打印護目鏡

（三）3D打印額溫槍

額溫槍是對發熱病人排查的重要醫療保障物資，傳統開模時間最少要20天，在空檔期內，3D打印免開模具小批量快速生產發揮出了巨大的優勢作用。2020年2月28日，重慶領航新智誠科技利用SLA 3D打印技術，在10天內完成了2200套手持式紅外線測溫儀的外殼制造，緩解了物資緊張局面，如圖3所示。

圖3 3D打印額溫槍

（四）3D打印口罩固定裝置

N95口罩是醫護人員阻隔病毒，防止院內感染的重要防疫物資。然而，掛耳式N95口罩皮筋直接壓在耳朵上無法調節，長時間佩戴會出現耳根刺痛，甚至壓力性損傷。2020年3月4日，在武漢市第一醫院參與支援的護士李佳，聯合蘇北人民醫院骨科的張文東醫生，采用PLA材料3D打印制作了口罩固定裝置，在保證口罩密封性的前提下減輕了耳朵的壓力。

圖4 3D打印口罩固定裝置

在武漢市第一醫院參與支援的李佳，聯合蘇北人民醫院骨科的張文東醫生，在前人的方法上改良3D打印技術，用PLA材料制作了口罩固定裝置。有了這個裝置，皮筋就可以固定在頭頂，在保證口罩面部部分不漏氣的前提下減輕了耳朵的壓力，并且能有效地防止皮筋下滑，如圖4所示。雖然只是一個小的改進，卻解決了一線醫護人員的實際問題。

二、3D打印技術在國外抗擊疫情方面的應用

（一）澳大利亞采用3D打印生產呼吸機關鍵零件

新型冠狀病毒肺炎侵害病人的肺部，造成呼吸困難。呼吸機能夠預防和治療呼吸衰竭，減少病患并發癥，挽救及延長病人生命，是至關重要的醫療設備之一。2020年4月9日，蘇州倍豐激光科技有限公司旗下澳大利亞子公司AmPro Innovations與莫納什大學增材制造中心合作，采用AmPro SP100型金屬3D打印設備打印出呼吸機的關鍵零件————分體式排氣系統，如圖5所示。該系統可將一臺呼吸機再分出2～4個管道，同時供給2～4個病人使用。在呼吸機緊缺的嚴峻形勢下，倍豐科技依賴其3D打印技術為新冠重癥患者創造更多的生存機會。

圖5 3D打印呼吸機關鍵零件

（二）智利采用3D打印生產銅口罩

2020年4月16日，據外媒報道，智利共和國一家公司利用銅離子的殺菌特性生產出了一款銅口罩，抗菌性能比一般口罩更好。銅離子可通過對微生物外膜的滲入，導致病原微生物體內重要營養物質的流失及細胞代謝的中斷，最終導致病原微生物死亡，因此被廣泛應用于消毒殺菌過程。

該款銅口罩的生產商是智力“銅3D”公司，口罩由聚合物和1%的納米銅組成，具有防水功能。里面有三個銅邊的過濾器，其中棉制過濾層可清洗后重復使用，另外兩片過濾層是一次性的。目前該公司已將口罩的設計圖紙公開，任何擁有3D打印機的人都可以免費使用這種口罩的設計方案。

（三）美國采用3D打印技術制造面罩及測試棉簽

據相關報道，包括特拉維斯空軍基地在內的多個美軍基地已開始使用3D打印技術制造口罩和面罩。該生產的口罩和面具可取下消毒并反復使用。此外，由于近日美國新冠病毒檢測樣本量較大，取樣的棉簽資源告急，而3D打印棉簽（即拭子）給醫院提供了另一種選擇。通過在現場制作棉簽，醫院不用等待貨源周轉，可提高檢測效率，提升公眾信心。

（四）美國采用3D打印技術制造測試棉簽

近日，美國新冠病毒檢測樣品量太大，取樣的棉簽都不夠用了，而3D打印棉簽（即拭子）給醫院提供了另一種選擇，目前Northwell Health每天用3D打印機為其醫院生產5000支棉簽，如圖6所示。并計劃進一步擴大規模。通過在現場制作棉簽，醫院不用等待貨源周轉，提高檢測效率，提升公眾信心。

圖6 3D打印的測試棉簽（又稱拭子）

研究人員將目標鎖定在已經被食品和藥物管理局批準的打印機和材料上。他們檢查了一個典型的棉簽，想知道如何用樹脂————一種可以變硬的液體塑料來制作類似的棉簽。最終選定與Formlabs公司合作，對設計進行了測試，并加快了生產進度。其他科技和3D打印公司也計劃生產類似的棉簽，包括EnvisionTEC和惠普公司。同時，生產棉簽讓很多工廠保持了正常運轉，工人們的工資也得到了保障。

三、結束語

新冠肺炎疫情蔓延速度較快，人員的流動受到很大限制，物資運輸十分困難，造成多地醫療防護物資緊張。此時減少醫用物資的生產流程，實現本地供應十分重要。而這正是3D打印技術的優勢所在。新型冠狀病毒肺部感染病例3D模型有助于醫生專家對病理的深入認知和交流；采用3D打印技術生產的護目鏡、測溫儀、口罩、口罩固定裝置、面罩、呼吸機關鍵零件、測試棉簽等防疫物資，則為抗擊疫情提供了重要的物資保障。在今后應對公共衛生危機的過程中，3D打印技術將會發揮更大的作用。