3D打印技術在新型冠狀病毒肺炎防控領域的研究進展

劉若錦，李揮，邢娣娣，劉華，秦青，甄曉蘭(通信作者)

河北省藥品醫療器械檢驗研究院 (河北石家莊 050227)

2019新型冠狀病毒(2019 novel coronavirus，2019-nCoV)是此前從未在人體中發現的冠狀病毒新毒株，在人體存在一定的潛伏期。由2019-nCoV引發的新型冠狀病毒肺炎(coronavirus disease 2019，COVID-19)疫情自發生以來在全球迅速蔓延，嚴重威脅著人們的生命安全[1]，而具有一定傳染性的無癥狀感染者和“德爾塔”“奧密克戎”等新型變異株的出現使疫情形勢更加嚴峻。目前，臨床尚無治療COVID-19的確切方法，因此，做好對疫情的防控工作十分重要，而如何利用新技術、新方法對疫情進行有效的防控成了當下的熱點研究方向。

自3D打印技術問世以來，其因具有價格相對低廉、易于快速轉化實物等優點，正逐漸發展成為一種先進的生物制造技術[2]，在建筑、航空航天工程和機器人工程等眾多領域受到極大的關注，尤其是在醫學和健康科學領域有著廣泛的應用[3-5]，且其對COVID-19的防控也表現出了一定的應用潛力。本文即就3D打印技術在COVID-19防控領域的研究進展作一綜述，并分析3D打印技術的優缺點。

1 個人防護領域

2019-nCoV可以通過呼吸道飛沫傳播，咳嗽和打噴嚏均可傳播病毒。此外，病毒可以在物體表面存活一段時間，健康人與受感染物體或患者發生身體接觸均存在感染風險。口罩和其他個人防護裝備(personal protective equipment，PPE)為防止病毒傳播的屏障[6]，而在COVID-19大流行期間，應用3D打印技術可成功制備出口罩和其他PPE。

1.1 防護口罩

Ishack和Lipner[7]以聚乳酸(polylactic acid，PLA)為原料采用3D打印熔融沉積建模(fused deposition modelling，FDM)技術成功制備出防護口罩(圖1)。該PLA防護口罩的結構緊湊，對微生物(包括病毒)大小的顆粒具有足夠的屏障保護作用。研究發現，96%乙醇、70%異丙醇和0.85%次氯酸鈉消毒劑均能夠徹底清除葡萄球菌、大腸桿菌、白色念珠菌和2019-nCoV對該口罩表面的污染；且采用激光掃描技術掃描可以獲得精確掃描的面部參數。與普通防護口罩相比，通過3D打印技術制備的口罩具有更高的舒適度和貼合度。

注：A為聚乳酸原料;B為直徑為10 cm的圓板;C～E為不同類型的聚乳酸口罩

Goswami等[6]采用3D打印FDM工藝開發了一種帶有石墨烯(fluorinated graphene，fG)空氣過濾器的口罩(圖2)。fG具有較高的比表面積與體積比，以增強口罩抗病毒和抗菌性能。研究發現，該3D打印口罩可達到98.2%的細菌過濾效率和1.10 mbar的呼吸阻力；且通過測試該防護口罩對2019-nCoV顆粒的防護有效性，發現該口罩可以有效阻止病毒傳播。

注：A為3D打印口罩的各個部件；B為帶有石墨烯空氣過濾器的3D打印口罩

1.2 防護面罩

當面罩與口罩和護目鏡共同使用時，面罩可立即將絕大多數可能具有傳染性的飛沫保持在合理的物理距離，而口罩和護目鏡則可進一步加強局部保護作用。但是，當同時佩戴傳統的面罩和護目鏡，特別是長時間佩戴時，既不方便又不舒適，而采用3D打印技術制備的面罩可在滿足COVID-19防護需求[7]的同時，為醫護人員提供更舒適的使用體驗。

Armijo等[8](圖3)和Lemarteleur等[9](圖4)以易于獲得且價格低廉的PLA作為原料，采用3D打印技術分別成功制備了防護面罩。該類面罩結構類似，頭部固定部分均由兩個拱門和固定帶組成，可起到有效防護的作用；且其更加透明、輕便，可提供較高的光學清晰度和舒適度。

注：A為覆蓋范圍(可以延伸到下巴以下)；B為面罩成品

圖4 由兩個拱門組成的3D打印聚乳酸面罩

Celik等[10]基于有限元分析的結構設計，通過FDM的3D打印方式成功實現了一種重量更輕、更符合人體工程學且易于使用的醫用面罩設計(圖5)。與傳統面罩相比，該產品無需額外的組件(如松緊帶和夾子)即可組裝，且生產時間相對較短(≤45 min)。

圖5 基于有限元分析結構設計的3D打印面罩

Huang等[11]利用光敏樹脂、聚氯乙烯和熱塑性聚氨酯彈性體設計了一種針對眼睛和面部的組合保護面罩，其可以由3D打印技術快速制備。該面罩由護目鏡、鏡片、面罩和松緊帶4部分組成(圖6)，可以很容易地進行組裝和拆卸，同時可對傳染液滴保持良好的防漏效果，為防護COVID-19等突發傳染病提供了更多的可能性。

注：A和B分別為眼睛-面罩組合效果圖和實物圖

2 診斷工具研究領域

目前，2019-nCoV的核酸檢測多是通過鼻咽拭子(nasopharyngeal swab，NP)與試管內的病毒運輸介質結合來實現的，因此，對樣本的有效采集成了準確檢測的有力保證。普通的NP的使用體驗不佳，甚至會造成干嘔、惡心等情況，影響樣本采集，因此，設計一種高效且引起的不良情況少的NP非常重要。

Ford等[12]設計了一種3D打印NP(圖7)，并經在異丙醇中清洗以及進行蒸汽滅菌，最后通過臨床驗證，發現其能夠有效保證病毒載量，且可以維持3 d以上，完全滿足采樣需求。與普通的NP相比，使用該產品時患者更加舒適。

Gallup等[13]采用3D打印光固化技術制備了一種NP(圖8A)，且為了加快打印速度并減少原料使用，將該產品與貼合手柄聯合使用(圖8B)，滿足2019-nCoV樣本采集的性能要求，且其能夠承受比正常臨床使用中預期更大的力，為COVID-19核酸檢測試劑盒使用的標準NP提供了一種經濟、快速的替代方案。

注：A為戴手套組裝鼻咽拭子;B為鼻咽拭子與貼合手柄配合使用

3 呼吸機及分離器設計領域

3.1 呼吸機

COVID-19會引起肺部組織纖維化而無法輸送足量氧氣，進而導致呼吸困難，需要呼吸機來輔助患者呼吸[14-15]。Dhanani等[16]開發了一種新型低成本的3D打印便攜式機械呼吸機(圖9)，可用于呼吸衰竭患者。通過人體外試驗和豬體內試驗，發現該呼吸機的機械效率與標準呼吸機相當。此外，其還改進了齒輪設計，為快速、大批量、經濟地生產呼吸機等醫療設備提供了可行的替代方案。

圖9 3D打印便攜式機械呼吸機

3.2 分流器

為了防止飛沫傳播，需要患者之間保持足夠的距離，這會造成呼吸機呼吸回路延長，無效腔通氣增加，而為了確保有效的通氣，患者的吸入必須同步且體質量相近，但在實際操作中無法實現。

注：A為設計尺寸；B為外觀；C為制造的成品

注：A為設計尺寸；B為外觀；C為制造的成品

4 輔助工具研究領域

4.1 器官模型

目前，利用3D打印技術已經成功制備了器官模型[15]。例如，利用3D打印技術制備的耳鼻喉模型，可模擬正常和病理的聲帶，被用于內鏡手術的培訓中[16]，有助于對COVID-19取樣人員進行培訓。

Chee等[17]利用3D打印技術成功制備了鼻模型(圖12)，該模型具有解剖學變異，能夠再現普通人群的真實鼻腔結構，且其使用的彈性材料能夠再現真實鼻子的質感。通過使用3D打印鼻模型，可幫助拭子熟悉鼻咽解剖，從而有助于進行真實、有效和安全的鼻拭子訓練，且有助于確保拭子結果盡可能準確。

注：A和B分別為外部視圖和內鏡(內部)視圖

4.2 氣管內管夾

由氣管內管引起的氣溶膠排放會增加醫護人員接觸病毒的風險，因此，建議在未連接過濾通氣回路時鉗住氣管內管，以減少氣溶膠顆粒的擴散。Jacob等[18]設計了一種3D打印氣管內管夾，可實現在插管和拔管過程中進行收緊和打開(圖13)，為保護醫護人員的健康提供保障。

注：A為實物圖；B為根據需要松開；C為根據需要夾緊

4.3 開門器和門鉤

電梯按鈕、電話、電腦鼠標和鍵盤等已受2019-nCoV污染的設備亦會引起COVID-19的傳播。研究發現，2019-nCoV在不銹鋼表面可以存活72 h[19]。為了避免接觸受2019-nCoV污染的設備表面，Fran?ois等[20]選用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，利用3D打印FDM技術制備了免提開門器和門鉤，將免提開門器固定在門把手上，用前臂或肘部即可開門(圖14)；考慮到一些門把手的幾何形狀不允許安裝免提開門器，還開發了一種由易于伸縮的護套保護的門鉤(圖15)。此類設備易于安裝、清潔和消毒，可有效降低開門時病毒傳播的風險。

圖14 使用扎帶在兩種門把手上安裝的免提開門器

圖15 處于關閉(左)和打開(右)狀態的門鉤

5 總結及展望

COVID-19疫情的出現挑戰了現有技術的極限，同時加速了各個領域的創新。3D打印技術因具有個性化設計和制造復雜結構的能力和快速成型等優點，在個人防護、診斷及輔助工具研究等多領域具有潛在的應用價值，如利用3D打印技術制備的防護用品，在保護醫護人員不受病毒侵害的同時極大地提高了佩戴的舒適度；利用3D打印技術制備的鼻模型，有助于確保拭子采樣盡可能的高效準確。

需要注意的是，3D打印技術的應用也存在一定的不足，如3D打印可用的材料有限且機械性能亟待改進，在一定程度上限制了3D打印技術的應用；與傳統的方法相比，利用3D打印技術制備的重復性產品大規模生產的相對時間較長；該技術目前仍缺乏一定的臨床試驗支撐；此外，缺少明確的關于3D打印產品制造工藝和質量檢測等方面的規范，為保證3D打印產品的可靠性和安全性，與之相應的質量評價機制和評審手段亟待建立。

我們相信，隨著新材料的開發和新技術的交叉合作，3D打印技術必將成為抗擊COVID-19的有力武器。