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3D打印技術在醫療領域的應用

文字:[大][中][小] 手機頁面二維碼 2019/6/20     瀏覽次數:    

3D打印技術在醫療領域的應用

       近年來,3D打印技術在生物醫療應用領域的研發已得到越來越多的關注,并取得了諸多成就。研究人員可根據不同患者的需求,采用3D打的個性化生物材料。在理論創新方面,提出了“生物印刷”的概念,即將3D打印技術和生物工程技術結合起來,將材料科學、生命科學與印刷技術相融合,為研究組織工程學在3D尺度上與人體器官和組織相似的三維實體相匹配進行控制提供了新的思路和方法。導電聚合物具有獨特的電活性和導電性特點,不僅可用作藥物、基因載體;在電刺激條件下,尚可調節細胞的豁附、遷移、增殖及分化等其他功能,在“生物印刷”技術中具有重要的研究意義。危巖及其課題組著重于導電聚合物材料的研發,取得了豐富的成果,并歸納了“生物印刷電子材料”技術的核心,即采用3D打印技術將具有電活性的材料制備成生物醫用支架,繼而在此支架上實現可以調控和優化的可控細胞和組織生長,獲得有生物功能的新產品或新技術,以應用醫學檢測、診斷和治療。這些成果對3D打印技術在醫療行業的發展產生了巨大的促進作用。



3D打印心臟模型


       隨著3D打印技術的成熟,這項技術應用于臨床醫療的案例頻頻曝出,不少患者從中受益。目前的應用情況來看,3D打印與醫療的結合點主要包括:手術預演模型、骨骼替換、假肢制作、牙科、組織器官打印等。本文將從這幾個角度淺顯地做一下介紹。

       手術預演模型:

       手術預演模型的制作一般是醫院先通過CT、MRI(核磁共振)等造影設備掃描患者的患處組織或骨骼,獲取DICOM格式二維數據并導入到Mimics等軟件中進行三維重建,獲得STL格式三維模型,并通過3d打印機打印出來。筆者較早接觸到3D打印手術預演模型是大連優克多維和廣州醫科大學附屬三醫院完成的患者胎盤植入子宮切除術,目前,手術預演的案例已經越來越多,這種3D打印技術方案主要用于高難度的手術,在術前進行演練可以使得大夫在真正手術時,縮短手術時間,減少出血量。在預演這個過程中,年輕的大夫或者學生也可以方面直觀的學習和鍛煉。


       骨骼替換:

       對于需要切除骨骼的患者來講,這無疑是一個好消息。瑞士科學家首次實現了采用3D骨骼打印機精確復制人類拇指骨骼,這項技術突破為醫生采用患者自己的細胞組織培育替換受損和患病骨骼開辟了新的途徑。瑞士伯爾尼英塞爾醫院的克里斯琴·溫蘭特(Christian Weinand)稱,依據這種醫學理論,可以培育出任何類型的骨骼。他在實驗室老鼠背部成功地培育出自己身體上的替代骨骼,這與1997年美國馬薩諸塞州總醫院杰伊·瓦坎蒂(Jay Vacanti)從人類軟骨細胞中培育出人類耳朵的方法是一樣的。

       目前科學家在這項醫學技術中溶入了新的方法,首先,要對需要復制的骨骼進行3D成像,如果這塊骨骼丟失或者嚴重受損,你可以對身體上的“孿生骨骼組織”進行鏡像3D成像。比如:患者的左手拇指被切斷并且丟失,那可以對右手拇指進行3D拍照成像。獲得的3D成像輸入3D打印設備,進而形成3D目標的實體化。這類技術同樣要用到上面講的CT掃描,三維重建技術,再使用金屬3D打印機打印出鈦合金骨骼。


       假肢制作:

       每一位殘疾人對于假肢的需求都是不同的,因此每個假肢的制造過程也非常個性,導致假肢的成本較高。而3D打印機的出現就是為了解決這些個性化制造的問題。近年來,由于3D打印技術的推廣,用3D打印機制作假肢已經成為可能。2014年,美國佛羅里達大學博士生就曾經為一位孩子安裝了3D打印機制作的義肢。相比于正常義肢十萬元左右的高昂費用,3D打印技術生產的義肢只花費不足千元,而義肢程序也已在互聯網被分享,可免費下載。義肢又稱為“滑索”,是因為用專業3D打印機打印后,還要一釘一鉚地進行組裝,然后安裝彈力繩裝置,對各個部件彈力繩以及繩索的張力不斷反復修改調試,并制造出一個靈活的傳送裝置,讓受體可以利用手腕力量,將繩索傳送到可以活動的機械手指,幫助佩戴者完成簡單的握持動作。


       牙科應用:

       3D打印在牙科領域的應用一直是人們關注的熱點,目前分為幾個部分:3D打印金屬牙齒、隱形牙套、金屬種植體、導板等。3D打印技術在牙科中的應用一般也都需要結合掃描技術,例如口腔掃描儀、普通掃描儀甚至CT設備等。對于需要安裝假牙的客戶,先需要對口腔進行掃描,根據掃描的數據結果設計需要打印的牙齒,然后使用金屬3D打印機打印牙齒,再在金屬假牙上烤瓷和染色,就可以進行安裝了。筆者曾在北京航星利華見過德國Concept laser 金屬打印機制作的鈦合金牙齒。


       對于需要矯正牙齒的客戶,傳統的牙齒矯正使用金屬制成的托槽來引導牙齒移動,矯正過程非常痛苦,而且非常難看。“鋼牙妹”往往成為影視劇中被調侃的對象,也讓逐漸步入社會的大學生和白領們望而卻步。隱形牙套恰恰滿足了這些人的需求,通過3D技術制作很多副牙套,每一到兩個星期更換一副,逐步的實現牙齒矯正。值得注意的是,佩戴的隱形牙套并不是3D打印機直接打印的,而要經過熱壓成型等工藝,進入口腔的材料需要經過FDA等認證。

       3D打印種植體是對傳統種植體的一大變革,傳統的種植牙手術過程是拔完牙,拿電鉆鉆個洞,然后將螺旋體擰進去。這樣做的弊端是鉆孔時會破壞好的骨頭,如果三顆牙齒比較近,鉆洞可能會把旁邊兩顆牙齒磨壞。另外一個關鍵問題是每個人的每顆牙都不一樣,牙根也都不一樣,市面上通用的螺紋型產品欠缺針對個體病例的個性化產品。而用3D打印技術,按照患者牙根的形狀,直接打印出種植體。這樣拔完牙,就直接放過去,不需要在牙槽骨上打洞,不會破壞病人的骨頭,達到即刻種植的效果。在種植牙的過程中還需要用到另外一個東西,那就是手術導板。通過3D打印個性化定制的手術導板,醫生能在手術前將其放置在患者的牙床,標出手術過程所需的角度和深度,從而種植體的正確植入,同時可以省去由外包制作手術導板而產生的費用。

       組織器官:

       3D打印器官組織想必是3D打印在醫療、生物領域的重要應用了,或許未來器官移植將變得不再這么艱難,更多人的生命可以得到挽救,而打印出一個活人也成為人們正在幻想的目標。目前科學界和企業界對于生物3D打印主要集中在鼻子、耳朵、血管、腎臟、心臟、皮膚、眼角膜、半月板等,據調查,美國排隊等候器官移植的病人中,有80% 的病人等待的器官是腎臟。目前通過生物打印方法制造的腎臟仍然無法發揮腎臟的功能,但一旦它們開始發功能,醫生們有望使用病人自己的細胞培育出能與身體其他部位匹配的器官。


3D打印會“呼吸”的肺

       要促進3D打印在醫療行業的廣泛應用,還有以下幾點要做,一要鼓勵發展擁有自主知識產權的3D打印機和專用配套材料,二是加強計算機輔助設計人才的培養,三是政策上的支持,比如鼓勵使用并推廣這項新技術,同時嚴控質量,包括完善醫療器械監督管理條例,加強行業管理和規范,鼓勵創新和臨床轉化。現有的醫療器械管理條例于2000年開始執行,當時并無涉及3D打印的規定,這勢必會影響3D打印技術更好的為病人服務,值得引起更大的關注。而汪祥艮認為,目前3D打印在醫學行業面臨的大挑戰就在于傳播和教育,新技術的應用需要從傳統技術慢慢過渡并逐步適應,與傳統技術相輔相成,需要人們不斷看到該技術的優勢。因此,希望繼續加大對醫療行業和公眾的宣傳及培訓教育。同時MikeRenard則表示,中國要更好地在醫療行業采用3D打印技術并支持相關產業的增長,需要做到三點:首先,對于該項技術的控制和知識產權保護;其次,促進國家食品藥品監督管理局與歐美主要國家政府監管機構之間的合作;建立清晰的回報預期,使技術擁有者在將具有經濟可持續性和能為社會和醫保系統產生價值的技術引進到中國后,能夠基于正確的信息來作出決定。


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