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生物医用材料与3D打印技术的完美结合

导读: 新兴生物医用材料的研制结合3D打印技术,在未来生物医学领域将会得到更广泛的应用和发展。

OFweek3D打印网讯 生物医用材料指的是用于医疗上能够植入生物体或与生物组织相结合,而对生物体组织不会产生不良影响的材料。3D打印技术,即快速成型技术的一种,它是一种以数字模型文件为基础,配合机械制造和材料科学,使材料在液态或是气态时直接固化成所需结构。临床医学研究人员可根据不同患者的需求,采用3D打印技术快速精确打印出适合不同患者的个性化生物医用生物材料,同时,还可以对材料的微观结构进行精确控制。因此,这种新兴生物医用材料的研制结合3D打印技术,在未来生物医学领域将会得到更广泛的应用和发展。

3D 打印技术作为新生事物,被誉为“第三次工业革命的重要标志之一”。该技术是一项具有工业革命意义的高新制造技术,代表了世界制造业发展的新趋势,它使产品从设计到制造之间仅隔“打印”按钮的距离。2012 年8 月,美国总统奥巴马拨款3000 万美元,在俄亥俄州建立了国家级3D 打印研究中心,启动了“重振美国制造业计划”。很多专家媒体也乐观地认为:3D 打印产业将成为下一个具有宽广前景的朝阳产业。

3D 打印在生物医学上的应用

3D 打印在生物医学上的应用主要体现在医学模型快速建造、组织器官代替品制作、脸部修饰与美容等三方面。

医学模型快速建造

医学道具、模型、用品等材料可通过3D 打印获得。利用3D 打印技术,可将计算机影像数据信息形成实体结构,用于医学教学和手术模拟。传统医学教学模型制作方法时间长, 且搬运过程容易损坏, 使用3D 打印技术, 可有效减少制作时间,根据需要随时制作,并降低搬运损坏的风险。据报道, 美国某医院在所实施的头颅分离手术前,先使用3D 打印机造出了婴儿连体头颅模型,并对手术方案进行充分的研究分析。他们将往常同类型手术72 小时缩短到了22 小时。

目前,3D 打印医学模型已获得较好的技术支持,具备一定的打印速度,能使用多种材质进行打印,应用程度高,有着很好的应用前景。

组织器官代替品制作

人体组织器官代替物的材料要求很高,实现难度大。但目前已有一些成功案例,比如复制人体骨骼, 制作义肢等[5]。比如,人体某块骨骼缺失或损坏需要置换,首先可扫描对称的骨骼,形成计算机图形并做对称变换,再打印制作出相应骨骼。与传统方法相比,该技术不需要先制作模具,可直接打印,建造速度较快。
这项技术可应用于牙种植、骨骼移植等[6,7]。与此同时,微型人体肝脏也已被成功制造。德国研究人员利用3D 打印机等相关技术,制作出柔韧的人造血管,并能使血管与人体融合,并同时解决了血管免遭人体排斥的问题。该技术的不断进步和应用的深人将有助于解决当前和今后人造器官短缺所面临的困难。

脸部修饰与美容

利用3D 打印技术制作脸部损伤组织,如耳、鼻、皮肤、牙齿等[8,9],可以得到与患者精确匹配的相应组织,为患者重新塑造头部完整形象,达到美观效果。首先扫描脸部建立起3D 计算机数据;医生可以制作出患者所缺少的部位,重现原来面貌。比起传统技术,该方法更精确,材质选择更加多样化。据报道,一位左半边脸上长着肿瘤的患者,在做了切除手术后脸上留下了一个大洞。医生利用3D 打印技术为患者制作了一张假脸。制作中,首先全面扫描患者头骨及面部,根据所得的结果分析并建立起原来的面部三维图像,再打印输出实物,通过使用特殊的材质,再打印制作出与面部完美贴合并且栩栩如生的假脸。

3D 打印技术在医疗器械制造领域中仍然是一种新型技术,仍然存在着诸多的挑战:

(1)3D 打印工艺技术在骨科植入物中应用还不成熟,即使最为成熟的EBM 技术中电子束与粉末之间的相互作用、变形及残余应力控制、表面粗糙度、内部结构缺陷的控制等关键技术问题和稳定性仍然需要提高。

(2)“打印材料”研发是发展的难点,现在骨科器械领域常用的金属材料为钛合金粉末,由于受到材料的粒度分布、松装密度、氧含量、流动性等性能的影响,其他的金属材料和高分子材料的打印技术仍然处在试验阶段,对于具有活性的打印材料,如何维持细胞的活性及其功能的研究还是瓶颈技术。

(3)精度和效率都有待进一步的提高。3D 打印的精度受到设备能力、打印材料性能、打印工艺水平等多方面限制,目前国内3D 打印还难以实现高精度零部件直接成型,仍需要后期其他加工工艺的补充与配合,进一步提高精度和效率尤为关键。

(4)多种不同特性和不同功能材料的复合打印技术有待突破,特别是在骨科器械领域需求尤为明显,例如金属与陶瓷的复合打印、金属或陶瓷与高分子材料的复合打印,软硬组织的复合打印,不同功能的活性组织在细胞级别的打印等。

(5)成本投入高。3D 打印设备价格昂贵,打印材料来源单一、工艺技术引进难度大、效率和精度较低,日常维护费用高等多因素都导致了现阶段的高投入和低产出,形成产业链的发展和得到项目的专项扶持迫在眉睫。

但随着3D 打印技术所支持材质的增多,打印质量的精细化,其应用水平亦将得到进一步提高,一定会有更加广阔的天地。

责任编辑:zhouyi
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