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浅析3D打印在硬组织医疗领域的现状!

2015-12-29 09:08
Minor昔年
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  3D打印技术是一种“快速成型(RP)”或“增材制造(AM)”技术,被誉为是第三次“工业革命”的代表性技术之一。随着3D打印技术及打印材料的不断研发,其应用领域越来越广,从航天航空到工艺制造、从建筑到娱乐、从医疗到教育,无不涉及3D打印的身影。3D打印在医疗领域的应用更是与日俱增,不断协助临床医生解决问题,同时为患者减轻痛苦、提高生活质量带来新的希望。

  3D打印技术简介

  3D打印技术是一种综合应用了计算机辅助设计和计算机辅助制造(CAD/CAM)、数控技术、高分子材料、激光技术、三维CT等技术的一项高科技制造方法,其依据的主要原理为离散/堆积成形,即在计算材料或粉层进行二维扫描和处理,层层堆积从而得到一个三维实体(原型)。3D打印的出现完全颠覆的传统二维打印理念。

  3D打印技术的主要实现方式及其材料

  根据美国材料与试验协会(ASTM)3D打印技术委员会(F42委员会)的标准,将3D打印技术分为七类,而目前应用较多的主要有光固化成形(SLA)、熔融沉积成型(FDM)、选择性激光烧结成型(SLS)等等。

  SLA工艺也称光造型或立体光刻,它是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。这种液态材料在一定波长和强度的紫外光(如=325nm)的照射下能迅速发生光聚合反应,分子量急剧增大,材料从液态转变成固态。液槽中盛满液态光固化树脂,激光束在偏转镜作用下在液态树脂表面扫描,光点照射到的地方,液体固化。

  成型开始时,工作平台在液面下一个确定的深度,聚焦后的光斑在液面上按计算机的指令逐点扫描固化。当一层扫描完成后,未被照射的地方仍是液态树脂。然后升降台带动平台下降一层高度,刮板在已成型的层面上又涂满一层树脂并刮平,然后再进行下一层的扫描,新固化的一层牢固地粘在前一层上,如此重复直到整个零件制造完毕,得到一个三维实体模型。

  由于组织相容性及可降解性生物高分子材料的应用,SLA工艺的是目前在医疗领域的应用较为成熟的技术。韩国科学家应用生物高分子光敏材料聚富马酸二羟丙酯(PPF)通过SLA技术制备多孔支架并移植到家兔皮下,8周后周围形成了规则的结缔组织。

  FDM工艺是通过将丝状材料如热塑性塑料、蜡或金属的熔丝从加热的喷嘴挤出,按照零件每一层的预定轨迹,以固定的速率进行熔体沉积。每完成一层,工作台下降一个层厚进行迭加沉积新的一层,如此反复最终实现零件的沉积成型。FDM工艺的关键是保持半流动成型材料的温度刚好在熔点之上(比熔点高1℃左右)。其每一层片的厚度由挤出丝的直径决定,通常是0.25~0.50mm。

  近年来,利用FDM技术,以脂肪族聚酯为原材料制备可降解性生物支架已取得了一定进展,这将为组织、器官打印提供了技术支撑。SLS法采用红外激光器作能源,使用的造型材料多为粉末材料,可打印金属材料和多种热塑性塑料,如尼龙、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯类、聚苯乙烯、聚氯乙烯、高密度聚乙烯等。加工时,首先将粉末预热到稍低于其熔点的温度,然后在刮平棍子的作用下将粉末铺平;激光束在计算机控制下根据分层截面信息进行有选择地烧结,一层完成后再进行下一层烧结,全部烧结完后去掉多余的粉末,就可以得到一烧结好的零件。临床上使用的通过3D技术打印的个性化骨替代材料、个性化钢板及假肢等通常都是应用该技术制造的产品。目前成熟的工艺材料为蜡粉及塑料粉,用金属粉或陶瓷粉进行烧结的工艺还在研究之中。

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