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醫學3D打印
對于創傷骨科來說,四肢骨折的內固定手術已經極為常見,然而對于粉碎性骨折,尤其關節內的粉碎性骨折,僅僅根據X-RAY、CT有時難以達到良好的解剖復位和有效的內固定,原因在于我們無法了解骨折前的原始結構,如果有辦法掌握骨折解剖復位后的實物結構,對于內固定的選型,手術入路的選擇等無疑能帶來極大的幫助。

3D打印技術(又稱“添加制造”(Additive Manufacturing)誕生于20世紀80年代后期,源自美國研究照相雕塑和地貌成形技術,是一種與傳統材料去除加工方法相反、基于三維數字模型、運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料、采用逐層制造方式將材料結合起來的工藝技術。3D打印技術主要工藝類型包括立體光刻(SL)、立體光固成型、PVC塑料燙印復膜、熔融擠出成型(FDM)、三維噴繪打印(3DP)、數字光處理(DLP)等。3D打印技術作為一種高科技含量的應用技術,綜合了數字建模技術、機電控制技術、信息技術、材料科學與化學等諸多前沿技術知識,目前已經廣泛應用于家電、汽車、工程機械、航天航空、船舶等領域。

目前在市場應用領域方面,3D打印技術在航空器和醫學牙科領域的應用發展最快。在2009年~2011年的3年間,應用于航空器制造領域的設備市場份額由99%上升到了121%,醫學牙科的市場份額由136%上升到了151%。隨著3D打印技術精度、效率和速度的提升,以及多樣3D打印材料的開發、工藝方法的改進、智能制造的發展成熟,新的信息技術、控制技術、材料技術等不斷被廣泛應用到制造領域,3D打印技術也將得到更廣泛的應用。我國3D打印技術起步于20世紀90年代初期,已研制出與國外SLALOMsLsFDM等工藝方法相似的打印設備,并逐步實現了商品化,尤其在大型金屬構件直接制造方面,突破了技術方面的障礙,走在世界的前列。近年來,國家對3D打印技術的支持力度不斷加大,主管部門在積極制定相關產業扶持政策,科技部已經將3D打印技術納入國家“863計劃”,因此3D打印技術和產業表現了強勁的發展潛力。但總體而言,國內3D打印技術研發水平與國外相比還有較大差距,且在工業級3D打印機的穩定性、精密度、材料等領域與國外尚有一些差距,未來隨著智能控制、圖像傳感技術以及新材料等的應用,我國3D打印技術將向智能化、高效率化、節能化方向發展。

在醫療領域,3D打印技術的出現有效解決了個性化治療的難題。3D打印技術無需機械加工或任何模具,就能直接從計算機圖形數據中生成任何形狀的零件,從而極大地縮短產品的研制周期,提高生產率,降低生產成本。目前比較成功的案例是,美國0fard Performance Materials公司做了顱骨的修復技術;在歐洲,Layerwise公司首次用激光燒結的技術,用鈦合金做出下顎關節植入人體。生物3D打印可用于組織工程,人體組織損傷、缺損會導致功能障礙。傳統的修復方法是自體組織移植術,雖然可以取得滿意療效,但它是以犧牲自體健康為代價,會導致很多并發癥及附加損傷。利用組織工程和生物制造技術進行缺損修復,通過3D打印機打印出來和自身需要完全一樣的組織工程支架,在接受組織液后,其可以成活,便形成有功能的活體組織,然后移植到病人身上,對損壞的部位進行永久性的替代。目前,全球每年等待器官移植的患者數量驚人。而器官來源一直是器官移植最大的制約因素。利用3D打印技術制造胚胎干細胞和人體組織,可以制造出能夠直接移植或埋人人體內的人體部位,甚至直接在人體內打印細胞。3D打印技術可加速人造人體器官的進展,在醫學領域的應用有望解決器官來源問題。另一項應用是制造生物模型,在進行復雜手術前通過醫療模型模擬手術,使醫生能夠掌握手術中預先解剖的部位,減少手術風險,提高手術成功率。醫學影像在臨床上的應用,很容易得到病人軟組織、硬組織的模型,通過把x線、CT機及MRI獲得的DICOM數據轉換成三維打印機的數據,便可以快速準確制成生物模型,幫助醫生提高手術成功率。比如手術前可以把所有的器官通過三維打印成病理模型,根據模型大小,尋找合適的供體,充分做好手術前的規劃和方案的設計。大坪醫院肺外科開展了世界首例3DCT引導電視胸腔鏡下肺毛玻璃樣變切除術,實際效果表明,將3D打印技術應用于手術現場,手術的準確度明顯提高。

科學研究方面也取得了長足的發展,如可進行細胞3D打印以三維設計模型為基礎,通過軟件分層離散和數控成型的方法,用3D打印技術生成生物材料,特別是細胞材料等。它的技術原理是將細胞打印在一層一層的特殊熱敏材料上,之后將材料疊加起來就得到所需的組織結構。據統計,40%以上的人口死亡于代謝綜合癥,利用細胞3D打印技術在體外打印一個代謝綜合癥模型,通過模型可獲得能量代謝的系統模型圖,就可以看到細胞在里面的生長狀況。譬如我們把胰島細胞放在這個結構中,就可以形成一個我們所需要的、有通訊的三維模型,再進行相關的病理實驗,就可以模仿人體糖尿病的病理,相對于傳統模型,這更接近人體內的真實情況。

         現階段3D打印技術在醫療領域的研究和應用主要集中在骨科植入物打印、手術器械打印、細胞打印、組織器官打印。批量化的骨科植入物打印和手術器械打印相對成熟,個性化的定制器械也初現端倪,活體組織與器官的打印還處在研究階段。
         
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