基于3D打印技術的醫療產品設計應用與研究

袁云帆 古蔚博 唐衛東

（1.南華大學松霖設計藝術學院，湖南 衡陽421001；2.南華大學附屬南華醫院，湖南 衡陽421001）

0 前言

3D打印技術是一項顛覆性的技術革新，在全球引發了科技技術革新的狂潮。全球的制造業因為這項技術而發生質的改變。3D打印技術作為一種新型制造技術，在各個領域都有廣泛應用，尤其是在醫療設備設計方面。因此在實際工作中需要充分利用3D打印技術來優化產品的生產模式，轉變以往工作中的局限之處，貫徹落實個性化和人性化的工作理念。

1 3 D打印成型技術特點

3D打印技術區別于傳統醫療設備設計技術的突出優勢就是對傳統局限性的突破，在成本上也有一定的優勢，能夠有效降低成本，低成本能夠使更多的人在治療上獲益。因為3D打印技術的成型方式是疊加的，因此，該項技術具有別的打印機技術所不具備的優勢，即不需要關心生產方式的局限性，只需要關注設計物品本身的空間感，以及空間層次感。這種技術上的突破不僅能夠使醫療產品的設計具有現代科技的先進性，同時促使設計師在設計思維上也有很大的突破。3D打印具有以下特點。

1.1 個性化

3D打印技術的最大優勢就在于輸出產品的個性化，每一件產品都帶有個人氣息，客戶可以根據自身的需要進行個性化定制。尤其是對于醫療產品來說，每一位患者的需求不同，因此，可以依據病情和實際需要為患者定制個性化產品。

1.2 效率高

在技術應用的過程中能夠解決以往傳統制造中的問題，例如，在機械加工和零件配備方面的矛盾，通過3D打印技術能夠完成一體化的成型，減少不必要的時間，尤其是在面對一些復雜產品的生產時優勢是非常突出的。另外，在應用時還可以根據實際需求進行打印，按照就近的原則，避免出現資源浪費的問題。

1.3 成本低

3D打印技術有著傳統打印技術所不具備的成本優勢，采用的材料是粉末狀的基礎制造材料，這樣的打印方式可以減少很多原材料的浪費，材料利用率高。

同時在運輸上更加方便，能夠有效節約運輸成本。

2 基于3 D打印技術的產品設計方法

2.1 用戶需求深入化

在技術投入使用之前，數據上要盡可能的完備，因此前期調研是關鍵，基于產品的基本特性與用戶需求是產品應用的最終目的。首先確定問題、分析原因并確定用戶的實際需求。在搜索過程中，設計人員需要盡可能優化遇到的問題，并為每個較小的問題制定設計要求[1]。

2.2 產品功能定制化

在產品功能定制化方面，要貫徹落實人性化的原則，多方面地關注用戶對于設計的需要，也可以按照單獨用戶的需求進行定制，將客戶的理念放在首要的位置。例如，利用3D打印技術能夠有效解決長期臥床病人生褥瘡的問題，但是，該項方案并不適用所有的住院病人，具有病情特殊性。因此，在產品功能定位中，要更具有針對性，才能更快、更好地解決用戶問題。

2.3 使用方式多樣化

3D打印技術在日常運用的過程中能夠轉變以往設計的局限性，通過增加工藝的思維提高后續設計的效果，同時還可以實現設計人員工作模式的全面轉變，充分的發揮3D打印技術的優勢，使設計人員能夠在產品的早期階段獨立思考，測試滿足其功能的多種產品使用模式，并選擇最方便、最經濟的解決方案，而無須考慮傳統的生產流程、研發成本和產品質量[2]。

3 3D打印技術的醫療產品設計應用

3.1 個性化定制人工骨骼

個體在骨骼方面的差異是非常突出的，個體人工骨在臨床應用中尤為需要。比如，比利時哈塞特大學的BIOMED研究所為患者打印并移植了下頜激光3D打印技術[3]。采用數字設計內固定方案在三維模型上打印斷裂模型和鋼板模型，結果表明，結合數字化的3D打印技術，能夠為臨床骨折的治療提供全面的幫助，如可以提高骨折的固定效果。一些特殊的骨折部位不能用一般修復產品來治療，而3D打印產品則提供了根據患者特點的有效解決方案。另外，3D打印技術還能夠打印與嫁接相集成的仿生骨微孔結構，有利于人體骨的生長。

3.2 人造器官

3D打印人工器官打印機分為三類：噴墨人工器官打印、微擠壓人工器官打印和激光輔助人工器官打印。這三種類型的打印機在打印再生組織和器官方面各有優缺點。在2019年5月，《科學》雜志封面報道，在美國的華盛頓大學研究團隊中，通過水凝膠3D打印出的肺模型，能夠和人們的血管和氣管進行相互的匹配，構建相同的網絡結構能夠像肺一樣朝著周邊血管輸送氧氣，完成“呼吸”過程。

3.3 醫療器械

金屬3D打印技術是醫療器械的一場創造性技術“革命”，該技術在醫療器械領域的潛力已經超過傳統意義上的機械制造。如在膝關節前交叉韌帶損傷修復手術中，如要保證手術的精準和微創，醫生需要借助一種精密而特殊的手術工具，制造這種工具的鎳—鉻—鐵合金是一種難加工材料，使用傳統的機加工方式制造該手術工具難度很高，而且所花費的時間長、成本高。這種情況下，使用3D打印技術進行制造則更為適合。

3.4 藥物個性化制作

在傳統醫藥行業發展的過程中，在微觀控制方面的調節能力并不是那么的突出，產品中藥和重要的輔料是通過混合和包衣的方式進行操作的，因此，在這樣的技術背景下，難以設計復雜的制劑形態。藥物的3D打印便于藥物的個性化設計，目前的藥量已經標準化，很多患者需要打破片劑來獲得所需的量，因此標準化的藥量不能滿足所有患者的需要。在技術應用的過程中，可以通過修改尺寸和填充率來滿足劑量方面的標準，醫師可以根據患者的各種信息來確定最佳的劑量，提高最終的治愈率[4]。

4 3D打印技術在醫療產品設計上的發展趨勢

據統計，2017年，全球醫療器械行業的市場規模將超過4 000億美元，并將繼續穩步增長。同年，中國醫療器械行業市場規模達到774億美元，占當年全球市場規模的19.2%。與國外相比，中國3D打印行業正處于快速發展時期，市場潛力巨大。隨著個性化醫療的發展和國家醫療保險政策的實施，對3D打印產品的需求將急劇增加。

5 結語

隨著3D打印技術的發展，其應用領域越來越廣泛。3D打印的高復原和高精度數字化功能在各個行業都很受歡迎。3D打印技術將3D設計模型直接轉換為現實產品，與傳統的制造方式相比，更適合制作少量定制化的產品和復雜形狀的產品。由于人體的個體差異，手術指南、醫療植入物、假牙等醫療器械對個性化定制的要求很高。因此，“個性化”“人性化”為3D打印技術與醫療行業搭建了深度結合的橋梁。