3D打印技術及其在醫療領域的應用

沈啟航

【摘 要】：在各種新型醫療技術的應用中，3D打印技術在制造醫療器材與輔助醫療手術方面具有傳統工藝無法比擬的優勢。不同于傳統制造技術，3D打印是指按照指定模型通過增加材料的方式進行模型和產品制造的方式，在健康中國戰略的引領下，3D打印技術必然會發揮越來越大的作用。本文對3D 打印技術的發展歷程以及在醫療領域中的具體應用進行綜合概述，同時分析了其在醫療領域中的優勢和目前存在的不足之處，對3D打印在醫療領域的進一步研究有一定的借鑒意義。

【關鍵詞】：3D打印；醫療；牙齒修復

【中圖分類號】R782.2 【文獻標識碼】A 【文章編號】1005-0019（2019）05--02

1 引言

隨著時代的發展，普通制造模式愈發顯示出自身固有的缺點：減材加工的材料浪費，制造復雜產品的局限性，加工產品的單一性等等，于是能夠克服這些缺陷的3D打印技術便應運而生。自從1986年第一臺商業3D打印機出現以后，經過材料工藝和制造工藝的不斷提升，現在的3D打印技術效率高、成本低、高靈活度、縮短產品研發周期等優勢，廣泛地應用于航空航天、醫療、工程建筑等生產生活領域。

2 3D打印技術

2.1 3D打印技術概況

區別于傳統制造方式，3D打印是一種典型的增材制造技術，主要通過材料的堆積來完成產品的加工[1]。3D打印技術相對于其他的傳統制造技術而言，具有如下優點：首先，其不需要傳統的夾具、機床或任何模具，只需要3D打印機就能直接把計算機的三維CAD圖形生成實物產品，這大大降低了購置設備的成本。另外，3D打印能在較短時間內成形，它讓設計人員和開發人員實現了從平面圖到實物的轉變，從而縮短產品研發周期。其和傳統制造的對比如表1所示。

2.2 3D打印技術發展

3D打印技術發展史可以追溯到1892年，使用層疊成型方法制作地形圖的構想首次被提出。1940年，材料學家提出可以沿等高線輪廓切割硬紙板然后層疊成型制作三維地形圖的方法。1986 年，出現了世界上第一臺商業的3D打印機，1992年，美國人赫利塞思發明層片疊加制造技術。1993 年，麻省理工學院獲3D 印刷技術專利，接著2007年的開源3D打印桌面設備的問世更是掀起了3D 打印技術新的發展高潮。然后2012 年，人類首次利用3D打印制造出活體的人造肝臟組織，并用于代替患者的肝臟。2018年9月美國海軍陸戰隊使用混凝土3D打印機打印了軍營，2018年9月17日中國的激光增材制造高強高損傷容限鈦合金大型高效能整機構件技術在世界粉末冶金大會暨展覽會上獲大會產品獎。3D打印在國內外的高速發展和市場規模都預示著其將成為改變人類未來制造方式的新型制造技術。

2.3 3D打印技術分類

目前3D打印的技術主要分為三種，分別是FDM：融化沉積成型，其主要材料ABS塑料；SLA：光固化成型，其主要材料光敏樹脂；DLP：數字光處理成型，其主要材料光敏樹脂。

（1）FDM為融化沉積成型，其主要原理是在加熱融化膛中將材料加熱為液態，使液態物質從給絲頭上被擠出，擠出的材料會快速固化成精密的薄層，覆蓋于已建造的零件之上，并在外界環境中快速凝固。每完成一層成型，工作臺便會調整自己的高度，給絲頭繼續重復噴絲過程，這樣逐層堆積成一個實體模型。

（2）SLA為光敏樹脂選擇性固化，是采用立體雕刻原理的一種工藝，放在槽中的液態光敏樹脂，在特定波長的紫外激光束的照耀下，光敏樹脂會快速固化。可移動的工作臺處于特定的位置，匯聚后的紫外激光束進行掃描，得到該截面形狀的實體薄片。接著，工作臺層層下降，重復固化光敏樹脂的過程并且置于上一層薄片之上。最后的步驟便是取出工件，進行清洗，干燥等處理。

（3）DLP為數字光投影技術，與SLA有許多相似之處，但其最大的不同是使用了投影儀的數字光源，在掃描時比SLA更快。

三種技術的對比如表2所示，1、2、3分別代表等級，1為最佳。

3 3D打印在醫療領域的應用

3.1 手術規劃模型

在一般的大型手術之前，通過CT、核磁共振等手段對于患者的病情進行更精確的診斷，得到患者病灶的模型，對于醫生手術策劃和執行是十分重要的。常規的手術影像材料都在2D平面中呈現，如果想要立體的三維數據，需要經過大量的復雜計算，不利于快速分析病人的病情。而通過3D打印機可以將直接制造出相關所需的三維模型，這樣可以有效幫助醫生進行規范化的手術策劃，提高手術成功率。在術后，該手術規劃模型可以作為證據，有助于解決醫患糾紛。[2]

3.2 手術導板

手術導板是手術中的重要器材，主要用于輔助手術用，例如支撐關節的關節導板、固定脊柱的脊柱導板、用于口腔手術的口腔種植導板等。一般情況下，手術導板需要為特定的病人定制，價格昂貴。通過引入3D打印技術，可以對病人的需求進行分析，從而快速制造出病人所需的手術導板。這種技術的運用可以有效提高手術精度并且縮短手術準備時間，同時對于遠程實時手術的普及具有重要的意義。

3.3 植入物

植入物是醫療中植入患者體內的醫療器材，運用3D打印技術，技術人員通過醫院提供的用X射線、核磁共振、CT等手段獲取的患者信息，再通過電腦CAD軟件，自動生成出患者的植入物模型，將此模型輸入3D打印機中，采用FDM技術加工出1：1的生物植入物模型，用于手術。在實際操作上，醫生可以借助金屬粉末在激光照射下的融化對植入物進行打印，或是使用樹脂材料對植入物進行打印[3]。

3.4 康復醫療器械

與3D打印航空航天高級零部件和豪華車輛的定制零部件類似，在醫療領域，消耗最多的往往是用于替換的假牙、假肢以及各種器官，這些器材的設計十分復雜，傳統制造模型已經不能滿足于個性化的器材生產。類似于植入物和手術導板，大部分醫療器械都可以通過3D打印精準地制造，靈活性更佳。

3.5 牙齒修復

牙齒修復和治療的成本是牙科診所需要考慮的重要因素，因此能提升效率、降低成本的數字化口腔技術便走進了人們的視野。近年來，隨著牙科修復的發展趨勢轉向借助軟件設計與個人定制模型，所以很多牙科診所引入了3D打印技術。結合了3D打印的數字化口腔技術作為現在最新的發展方向，專注于牙科周邊器材的定制，為傳統的牙科行業帶來了核心優勢，同時也收集與運用了大量的患者數據。因為沒有像傳統的工作方式一樣完全憑借經驗進行制造，這種技術在很大程度上減輕了患者就醫中的痛苦。[3]在牙科行業常用到的3D打印技術主要有：光敏樹脂選擇固化技術（SLA）、選擇性激光熔化技術（SLM）、噴墨打印技術（poly jet），在實際手術中，需要結合不同的牙齒部位選擇不同的3D打印材料和技術。

4 3D打印技術展望

雖然已經有了近幾十年的發展，但是3D打印技術目前還存在許多問題，例如主體設備便攜性差，系統太過復雜，可維修性較差；3D打印目前主要集中在塑料和復合材料的制造，強度和耐熱性普遍性較差，不能適應復雜的工作環境。針對普遍存在的問題，3D打印技術的未來將有以下發展趨勢：首先，在3D打印技術的大方向上應深入研究開發基于激光以外的其他3D打印技術，如基于電弧3D打印、等離子3D打印技術，可以有效擴展3D打印產品的種類；其次，在3D打印技術的設備上應加快開發具有多種類，高精度、設備便攜型好的3D打印設備；最后，在3D打印技術運用的過程中可以開發3D打印視覺系統，通過增加景深和對比度，強化系統的感知能力，從而及時有效地獲取、處理與識別3D打印所使用的粉末與絲材的信息，進一步提高生產效率。[4]

參考文獻

趙靜， 常文龍， 劉永剛， 等. 磁共振彌散張量成像對臨床早期腦梗死的診斷價值[J].中國綜合臨床， 2014，30（11）：1166-1168

尹海軍， 馮天鷹， 郭耀霞. 3D打印技術應用于心血管疾病精準醫療的臨床進展[J]. 心肺血管病雜志， 2017， 36（7）：602-603.

趙瑩雪.3D 打印技術在醫療器械設計應用中的法律風險[J]. 現代經濟信息，2017，61（30）：267.

賴炎鑫， 朱鵬志.3D打印在醫療器械領域中的現狀及前景展望[J]. 中國醫療器械信息，2017，29（10）：112-114.