3D打印在植入體制造領域的應用

       近年來工業級3D打印設備在航空航天、汽車制造、醫療衛生、藝術品復制等領域展現了良好的發展態勢。得益于精細度高、成品堅固、可復制復雜的幾何模型等因素，越來越多的行業領域樂于采用3D打印的方式。其中，醫療和外科中心對3D打印需求占市場份額的三分之二。3D打印技術從2012年應用于醫療行業以來，在增材制造領域發展迅猛，解決了大部分的植入體制造難題。
     
       除了，輔助醫療、制造部分人體器官，3D打印在提供訂制、個性化的醫療設備方面有著較強的潛力。據Allied Market Research 統計，2015年全球3D打印醫療保健市場的銷售額為5.79億美元，預計2020年將增長至23.638億美元。此外，該組織還預測2015年至2020年，全球3D打印醫療保健市場的年均增長率為26.6%。

       此外，醫療機構出示了一份醫用3D 打印市場份額，其中Mdical/dental( 醫療行業) 占據15.1%。Consumer products( 消費品) 擁有20.3%的市場份額，占第一名。第二位的便是Motor vehicles，占整個市場銷售份額的19.5%。從以上數據可以看出，3D 打印技術在醫療行業的應用前景廣闊。

3D打印植入體現狀

       目前常見的3D打印骨科應用已經進行了充分的實驗，3D打印的醫療植入體將實現更加廣泛的商業應用。同時3D打印醫療植入應用正迅速擴大到膝蓋、脊椎、肩和其他植入物，以彌補傳統治療方法在特殊病例中的不足。

       3D打印能夠生產出超常規理念的復雜結構零件，并且打印成本和打印時間在不斷減少?？死蛱m知名肝臟醫生Nizar Zein談道，2012年打印一個肝臟模型要需要6個星期左右，而現在只需要30小時左右。不僅時間提高了很多，打印精度也有了質的提升。

       3D打印目前主要發展方向是以生物相容性為目的。醫學植入體中的多孔及胞格結構需要采用利于骨骼生長和細胞遷移的貫通式開孔結構。同時也為了避免金屬材料較高的彈性模量造成的“應力屏蔽”現象，保證植入體的力學性能與真實骨結構相匹配。就需要采用3D打印特有的多孔結構/胞格結構設計制造，根據需要對孔的類型、孔徑尺寸、孔壁厚度及孔隙率進行設計后完成打印過程。

       四種多孔結構/胞格結構單元，其構造與為實現輕量化要求的點陣夾芯結構類似。但是目的不同，其目的在于保證結構單元組成的生物植入體具有良好的生物相容性。以圖中Arcam公司EBM技術制造髖臼杯為例。經過生物體實驗證明，這種結構植入體有較好的生物相容性，孔結構內有大量的骨組織長入。

3D打印的三個層次

       3D打印技術在醫療領域應用可分為三個層次，離人體越近的應用難度越大，離人體遠一點的相對簡單，比較容易實現。第一層是人體外應用。例如，利用3D打印機可將CT、MR的二維圖像生成三維圖像和模型，大夫分析病情時更直觀，也能幫助他們術前分析和規劃，降低手術風險。

       第二層離人體更近一步，變成了打印一些醫療輔助工具。例如，種牙時為了種得比較準確，可以利用3D打印技術將患者的牙齒模型打印出來，先用計算機模擬種牙的位置、角度和深度，再打印出“導板”, 有了“導板”牙齒就能非常準確地植進去。

       在未來十年內，3D打印的醫療模型和定制的手術導板很可能成為許多手術的標準流程，包括心臟手術、下顎手術、全膝關節置換術、髖關節置換術、顱內植入、肩關節手術、脊椎手術或者更多其他手術。

       3D打印在前兩層的應用由于不涉及人體器官的改變，因而相對比較容易，到了第三層，即植入人體內的組織、支架、骨骼和器官等，這一層的應用就需要較高的技術含量。2015年世界首例3D打印鈦金屬脊柱植入手術成功。同時，西班牙在3D打印胸肋骨植入手術上也取得成功進展。

       骨科植入成功意味著3D打印技術已進入第三層，未來，3D打印將向細胞打印層面發展。細胞打印屬較為前沿的研究領域，是一種基于微滴沉積的技術——一層熱敏膠材料一層細胞逐層打印，熱敏膠材料溫度經過調控后會降解，形成含有細胞的三維結構體。

       細胞打印能夠為再生醫學、組織工程、干細胞和癌癥等生命科學和基礎醫學研究領域提供新的研究工具，為構建和修復組織器官提供新的臨床醫學技術，推動外科修復整形、再生醫學和移植醫學的發展?？蓱糜谒幬锖Y選技術和藥物控釋技術，在藥物開發領域具有廣泛前景。

       此外，3D打印技術在醫療應用方面的研究還涉及納米醫學、制藥乃至器官打印。通過3D打印制造的醫療植入物將顯著提高人類的生活質量，因為3D打印產品可以根據確切體型匹配定制，如今這種技術已被應用于制造更好的鈦質骨植入物、義肢以及矯正設備。打印制造軟組織的實驗已在進行當中，很快通過3D打印制造的血管和動脈就有可能應用于手術之中。

制約因素

       隨著輔助制造行業的快速發展，3D打印將在未來十年內成為醫療輔助制造主力軍，醫療衛生行業的未來正變得越來越清晰。但潛力大的同時，也有很多因素在制約著醫用3D打印行業的發展。時下，醫用3D打印行業的制約因素到底是什么？ Allied Market Research表示：多材料3D打印、太陽能動力以及便攜式全彩3D 打印機，在這些沒有實現之前，其在醫療領域的發展會受限。

       制約醫用3D打印行業發展的主要因素是3D打印的材料，醫用3D打印材料要求生物兼容性，置入人體時不易產生生物排他性。目前，既可置入人體又可用于3D打印材料并不多，這就導致材料成為醫用3D打印行業發展的瓶頸。當下，3D打印活性細胞材料正在研發，2014年，俄羅斯出現3D生物打印機，之后，使用生物墨水打印出活性細胞，但只能用于小白鼠身體上，并沒有形成正式的臨床案例。

       如Allied Market Research所述，醫用3D打印不能局限于單個材料的3D打印，有可能多個材料同時進行3D打印工作，這就要求3D 打印機的硬件設備具備多材料打印的功能。此外，全彩打印也是重中之重，單一顏色材料的打印遠遠滿足不了醫療行業的需求。

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