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3D打印技术在植入式医疗器械中的应用

2017-03-17 15:13
seele_jin
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3D打印技术在医疗领域的作用愈发得到重视。2016年6月24日,国务院办公厅发布了《关于促进和规范健康医疗大数据应用发展的指导意见(国办发〔2016〕47号)》,明确包括3D打印技术在内的7种医疗器械研发技术将获得国家重点扶持。几乎同一时间,美国食品药物管理局(FDA)发布了针对3D打印医疗设备的准则草案;在韩国,3D打印医疗器械的商业化也在紧锣密鼓地推行。种种迹象都表明,3D打印作为医疗的一种主流技术的进程已经在加速到来。

3D打印技术基于自身的数字化优势,能有效满足个性化、精准化医疗,提高效率,得到了专业人士和普通民众的认可。3D打印制备的医疗器械不仅具备定制性、可制造性和机械性能方面的优势,同时其制备过程快捷,没有额外的储存和运输成本;使用3D 打印技术的手术时间短、创伤面积小、成功率高,病人痛苦小、恢复快,后遗症较少。现在,不同方向、不同种类的3D打印技术纷纷出现在医疗市场,3D打印成为了充满希望的朝阳产业。
根据增材制造领域知名的市场咨询公司Wohlers Associates2016年发布的报告,2014年,全球增材制造和3D打印市场销售额达到59.65 亿美元,与2013 年相比增长了20 亿美元,增长率达到25.9%。Wohlers Associates认为3D打印2020年将占据全球制造市场5%的份额,而这已经足以使3D 打印成为一个市场容量高达6400亿美元的大行业。其中,北美和欧洲占据了市场总销售额的68%,而亚太市场将占27%。

图1  3D 打印市场年销售额变化

就中国而言,3D打印临床的驱动因素主要有以下4点:人口老龄化、居民可支配收入增加、医疗水平提升、全民健康意识提升。特别是人口老龄化的问题,Tang X曾报道:预计到2040 年,65 岁及以上老年人口占总人口的比例将超过20%。同时,老年人口高龄化趋势日益明显,80岁及以上高龄老人正以每年5%的速度增加,到2040年将增加到7500多万,过半数老年人长期处于慢性病状态。

根据美国2016年的3D打印报告,2016年全球3D打印市场销售额将达到73亿美元;而到2020 年,这一市场预计将增长到210亿美元,3D打印医疗设备将占15%的份额。目前原型作为主要应用的3D 打印市场仅占全球制造业市场的0.04%,这一数字有望增长到5%,这足以使3D打印成为一个市场容量高达6400亿美元的大行业。

3D 打印技术在医疗行业的应用

从打印材料角度来看,3D打印材料可以分为聚合物材料、金属材料、陶瓷材料和复合材料4类,使用的材料主要有工程塑料、光敏树脂、橡胶类材料、金属材料和陶瓷材料等,彩色石膏材料、人造骨粉、细胞生物原料及砂糖等食品材料也在3D打印领域得到了应用。根据不同的功能需求,3D打印技术在生物医学领域广泛使用不同种类的材料,如使用多孔钛制备骨骼植入物、使用高分子材料制备组织支架、使用生物活性陶瓷制备相容性结构等。除此之外,3D打印也会与其他高新产业复合,使打印成品功能更优秀。

从打印方式角度来看,目前在医疗行业应用的主要3D打印技术有熔融挤出技术(FDM)、光固化技术(SLA/DLP)、材料喷射打印技术(Polyjet/Projet/SCP)、选择性激光熔化技术(SLM)、电子束熔融技术(EBM)、自动注浆成型陶瓷打印技术(robcasting)、粉末粘合药片打印技术(ZipDose)、选择性激光烧结(SLS)和立体光刻陶瓷打印技术(LCM)等。这些技术已经能从术前打印病灶模型、术中定制手术导板和人体缺损部分的替代品3个层次为医疗问题提供帮助;对于第4个层次即生物3D打印,暂时还缺乏临床应用的实例,但已经在实验研究中为医生提供便利,例如跨越一些临床操作中的伦理障碍等。

从应用方式角度来看,3D打印技术除了用于制备植入物,为病人快捷、准确地定制医疗器械,还可以通过数据化方法指导医生,如通过触觉式自由建模软件,医生在电脑上就可以进行手术实践,让医生提前进行术前准备(图2),而不需要患者实例。通过这种方法,3D打印技术在建立良好的医患关系、制定手术计划以及进行医师培训等方面也发挥了重大作用。

图2  医生利用建模软件在电脑上进行手术预演

3D 打印技术医疗应用案例分析

3D 打印义齿

中国有94%的人口存在牙齿问题,10个人中就有1个人安装了假牙(义齿),年均假牙消费量达8165万颗。目前市面上,假牙的制作主要采用传统人工铸造和数控机床(CNC)切削加工制作方法。人工铸造的方法过程较慢,返修率大;CNC制作成本高且精度较低。随着3D打印技术的普及,3D打印制作义齿的应用也正蓬勃兴起。

3D打印在口腔医学的基本应用包括:修复领域、正畸领域、种植领域、颌内外科领域。在修复领域,可以利用3D打印技术制作牙冠、咬槽骨、义齿等(图3)。在种植领域,种植义齿的时候利用模型进行手术模拟可以减少手术的误差和风险,且性能优于传统CT影像种植。在正畸领域,可以制作个性化的正畸产品,给患者美观舒适的体验。

图3  牙科3D 打印数字化流程

牙医可以使用金属粉末激光熔融打印义齿(图4),或利用可以进行消蚀铸造的树脂材料制作牙冠和牙桥的原始蜡型,结合专门的铸造工艺得到优质的金属铸造件;通过使用3D打印手术导板,牙医可以轻松地将植入物放到准确的位置,而不必像传统方法那样全凭自己的经验去猜测,3D扫描和3D打印对传统模具的取代,也减缓了患者在医疗过程中的痛苦。

图4  3D 打印的义齿

当前最先进的牙科3D打印产品是是普兰梅卡公司今年发布的Planmeca Creo,这款机器基于数字光处理(DLP)技术(图5),可以3D打印定制牙科夹具、植入物、手术导板及其他的医疗模型。在全球范围内,目前已逾数千的3D打印模型、牙冠、牙桥在牙科诊所中使用。

图5  普兰梅卡3D 打印机Planmeca Creo 和打印成品

3D打印技术在齿科方面的应用可以总结为:用自动化科技替代了大量的人工操作,使得一颗义齿蜕变成拥有高科技、低成本、高质量的“优秀义齿”。

3D 打印骨科植入物

骨科植入物市场中最主要有3个类别:关节植入物、脊柱植入物、创伤植入物(如骨钉、骨板)。2016年全球关节、脊柱、创伤植入物市场规模达到418亿美元。其中,关节植入物为229亿美元,脊柱植入物为113亿美元,创伤植入物为77亿美元。在全球市场中,关节植入物的占比最高,达到了54.7%。3D打印技术在骨科中的应用方式主要可以分为指导医生进行手术和打印患者需要的植入物两个方面,此外,也可以打印一些辅助器材,例如美国密歇根大学与Altair Engineering和Stratasys公司携手合作,共同组成了CYBER团队。该团队最近接受America Makes(美国国家增材制造创新研究员)的委托和资助,致力于开发出一种解决方案,该方案将利用3D打印和工业4.0来改造踝足矫形器(AFO)的设计、舒适性、实用性和定制。

医生可以利用电子计算机断层扫描(CT)来获取骨科患者特定部位的三维数据,并根据患者需要做出调整,打印出仿真的创伤骨骼系统模型。医生依靠此模型来设计手术方案,可以预估手术进程,优化手术方案。另一方面,由于骨科手术往往需要大量的植入物,医生可以通过计算机轴向断层扫描(CAT)成像,并通过计算机软件对该图像进行镜像,就可以使用3D打印定制植入物,这种方法可以实现高精度、高强度、高时效和高性价比;可以实现没有工具成本、没有改成型成本,达到快速生产的目的。2016年北京大学第三医院刘忠军为一名脊索瘤患者植入了世界首个3D打印多节段胸腰椎植入物——长达19 cm的脊柱(图6),成功替代了患者被彻底切除的5节脊椎。这种人工椎体的3D打印一步成型,在简化工艺、降低库存和运输压力等环节的成本远低于传统的钛网工艺。该椎体在性能上的优势显著,其机械性能满足了病人所需的连接和支撑功能,利用3D打印定制性的便利,可以专门设计连接结构以增强稳定性,人工椎体上的微孔结构类似骨小梁,能让相邻正常椎体的骨细胞长入其中,实现骨整合。

图6  北京大学第三医院为患者植入的3D 打印脊柱

北京大学第三医院的手术不是孤例。近日,全球最大的骨科及医疗科技公司之一美国Stryker公司研制的3D打印后路腰椎间融合器已经获得美国药品食品管理局(FDA)批准。这种椎间融合设备采用了专门为精准适配脊椎骨生长发和生物性固定设计的3D打印多孔钛材料,可用于腰椎自体移植物/同种异体骨移植、修补性脊柱固定系统,如椎弓根钉、棒体、盘体。通过后部植入的方式,可大大提高脊柱治疗的效果。

目前各大全球性医疗器械公司都推出了各自的3D打印骨科植入物产品(图7)。FDA已批准了85个3D打印骨科植入物,包括Skryker、Zimmer等提供骨科植入物的3D打印解决方案的医疗器械企业。4WEB Medical公司已获得FDA批准的脊柱侧桁植入物、足踝桁架植入物、ALIF前路脊柱桁架系统。能提供强有力的力学支撑,保证修正的完整性。3D打印植入物的拓扑结构可以促进骨结合并加速愈合。3D技术使金属表面定制化微孔结构,有利于宿主周围骨细胞长入,实现骨性整合。

图7  3D 打印公司典型的产品

未来还有可能开发出具有生物活性的可吸收材料。欧洲的RESTORATION研究项目开发的可吸收生物陶瓷材料,已经可以应用于下颌骨、脊椎和膝盖等位置的3D打印,这些陶瓷有希望开发成为生物活性材料,这意味着它们可以被人体充分吸收。

2014年以后,3D打印骨科植入物在中国相关专利技术领域数量整体增加明显。其中医学领域的专利数量最多,2014年为26个,2015年为61个,2016年截至7月份就达到了59个。

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