【行業(yè)觀察】看制造技術(shù)如何造福人類——2017年醫(yī)用3D打印技術(shù)的七個領(lǐng)域應用進展

2017-04-07  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

對于風險高難度大的手術(shù),術(shù)前規(guī)劃十分重要。傳統(tǒng)上,通過CT、核磁共振(MRI)等影像設(shè)備獲取患者的數(shù)據(jù),是做醫(yī)生手術(shù)預規(guī)劃的基礎(chǔ),但得到的醫(yī)學影像是二維的,之后還需要利用軟件將二維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成逼真的三維數(shù)據(jù)。3D打印機可以將三維模型直接打印出來,既可輔助醫(yī)生進行精準的手術(shù)規(guī)劃、提升手術(shù)的成功率,又方便醫(yī)生與患者就手術(shù)方案進行直觀的溝通。此外,即使在治療失敗,3D打印也可以為醫(yī)患雙方提供可溯源的依據(jù)。

世界首例Mr混合現(xiàn)實技術(shù)輔助的乳房重建手術(shù)完成

2017年3月,湖南省腫瘤醫(yī)院醫(yī)生術(shù)中頭戴已經(jīng)輸入患者三維影像信息的HoloLens眼鏡,術(shù)前3D血管數(shù)據(jù)個性化精確設(shè)計切取面積為22cm*14cm的股內(nèi)側(cè)穿支皮瓣游離移植一期重建乳房,手術(shù)歷時6個小時就得以安全順利完成。

輔助腫瘤手術(shù)的3D打印肝臟模型普及有望,僅需不到 150 美元

3月初,波蘭克拉科夫一醫(yī)學團隊通過展示了肝臟內(nèi)部腫瘤、內(nèi)循環(huán)系統(tǒng),以及對外科醫(yī)生或?qū)⒚媾R的種種問題予以參照。研究者以一名 52 歲的女病人的肝臟為樣本,先獲得其肝臟 CT 掃描,再使用 PLA 彩色材料的標準 3D 打印機,進行六個部件的打印。隨后搭建起“肝薄壁組織的支架(liver parenchyma scaffold)”,再填充硅膠材料。完成后的模型即能清晰可見肝臟,包括形狀、質(zhì)量,還有腫瘤及內(nèi)部些許血管。總共花費約 160 小時,模型成本低于 150 美元。相比于2015 年日本筑波大學科研團隊的研究,此項3D肝臟模型將成本拉至可接受的水平,讓大部分病患能承擔得起,定制化的治療方案對手術(shù)成功率提升亦有所助益。

3D打印心臟模型挽救洛杉磯嬰兒生命

當18個月大的Nate Yamane由于心臟肺動脈變窄開始危及生命時,兒科心臟病專家Frank Ing意識到他需要一個支架,一個用于治療狹窄或弱動脈的小網(wǎng)狀管。使用Nate的心臟CT掃描數(shù)據(jù),醫(yī)院團隊創(chuàng)建了阻塞區(qū)域的3D打印模型。Ing博士制作了一個特殊的小型支架,以適應從狹窄動脈的3D模型。結(jié)果是成功的:Nate的氧水平隔夜得到了改善。

廣東完成首例3D打印換脊骨

南方醫(yī)科大學附屬第三醫(yī)院(廣東省骨科醫(yī)院)骨腫瘤科團隊成功為一名脊索瘤患者切除了脊椎,并植入3D打印人工椎體,這是廣東完成的首例3D打印換脊骨手術(shù)。個性化的3D打印人工脊柱更有利于保護神經(jīng),并利于術(shù)后骨愈合。

手術(shù)導板是將手術(shù)預規(guī)劃方案準確的在手術(shù)中實施的輔助手術(shù)工具。在多個學科都有應用,例如:關(guān)節(jié)類導板、脊柱導板、口腔種植體導板,還有腫瘤內(nèi)部內(nèi)照射源粒子植入的導向定位導板等。

Materialise制造兒科3D打印手術(shù)導板獲FDA許可

這意味著患有先天性骨疾病或骨骼受傷的兒童就能得到更好的治療。該3D打印導板是三維的,根據(jù)對患者骨骼的掃描數(shù)據(jù)生成,可以讓醫(yī)生獲得最真實的信息,從而更好地規(guī)劃手術(shù)。另外,其制造成本也不高,即便普通患者也負擔得起。

一些植入物是通過鑄造或傳統(tǒng)的金屬加工方法來制造的,需要首先制造出模具,對于只需要一件或者少量的植入物來說,單件生產(chǎn)成本十分昂貴。再加上具有生物相容性的植入物材料本身的高價格,骨科植入物的總制造成本是十分昂貴的。對于結(jié)構(gòu)復雜的特殊植入物,使用從傳統(tǒng)技術(shù)也難以實現(xiàn)。而3D打印技術(shù)用于制造骨科植入物,可以有效降低定制化、小批量植入物的制造成本,并可以制造出更多結(jié)構(gòu)復雜的植入物。近年醫(yī)療行業(yè)越來越多地采用金屬3D打印技術(shù)(直接金屬激光燒結(jié)或電子束熔融)設(shè)計和制造醫(yī)療植入物。在醫(yī)生與工程師的合作下,使用3D打印技術(shù)能夠制造出更多先進合格的植入物和假體。3D打印技術(shù)也讓定制化植入物的交貨速度得以提升,從設(shè)計到制造一個定制化的植入物最快時可以在24小時之內(nèi)完成。工程師通過醫(yī)院提供的X射線、核磁共振、CT等醫(yī)學影像文件,建立三維模型并設(shè)計植入物,最終將設(shè)計文件通過金屬3D打印設(shè)備制造出來。

OPM公司的3D打印骨植入物獲得歐洲專利批準

牛津高性能材料公司(OPM)的“用于骨替換的定制植入物”將利用新興的OsteoFab植入物制造工藝。OPM現(xiàn)在將把其高性能添加制造工藝應用于3D打印定制植入物,以執(zhí)行骨替換操作。該歐洲專利最初于2011年底提交,于2016年12月21日生效,并將持續(xù)到2029年8月7日。目前,OPM仍是第一家也是唯一一家獲得FDA 510(k)批準的3D打印患者特異性聚合物基植入物的公司。

澳洲成功實施首例3D打印鈦-聚合物胸骨植入手術(shù)

澳大利亞聯(lián)邦科學與工業(yè)研究組織(CSIRO)、墨爾本醫(yī)療植入物公司Anatomics和英國醫(yī)生聯(lián)手,為一名61歲的英國患者Edward Evans實施了3D打印鈦-聚合物胸骨植入手術(shù),這也是全球首創(chuàng)。之前這種植入物一般都會用純鈦制造,新型胸骨植入物能夠比之前的純鈦植入物更好地幫助重建人體內(nèi)的“堅硬與柔軟組織”。Evans術(shù)后僅12天就能出院,并且目前恢復十分迅速。

印度首個3D打印鈦椎骨植入物讓32歲婦女再次行走

印度Medanta The Medicity醫(yī)院的醫(yī)生們讓一名一直患有脊柱結(jié)核的32歲婦女再次行走。這也是印度首次進行此類手術(shù)。女患者的第一節(jié)、第二節(jié)、第三節(jié)頸椎嚴重損傷,這意味著在她的顱骨與下頸椎之間沒有任何骨骼支撐。借助先進的金屬3D打印技術(shù),醫(yī)生們3D打印了一個鈦椎骨,并用它替代了患者脊柱中的受損部分,從而有效填補了第一節(jié)頸椎和第四節(jié)頸椎之間的空白。手術(shù)一共進行了10小時。這也是世界上第三例此類手術(shù)。

首個植入3D打印脊椎患者已能開車騎車

2016年6月12日,世界首個3D打印脊椎植入手術(shù)在北醫(yī)三院完成。2017年1月初患者的CT顯示,該患者當時被植入的長達19厘米的3D打印內(nèi)植物與他原有脊柱穩(wěn)穩(wěn)地連接在一起,內(nèi)植物與脊柱的連接處可見到高密度影,已有骨融合的跡象。

鼓樓醫(yī)院國內(nèi)首創(chuàng)3D打印導航治蝶顎神經(jīng)痛

南京鼓樓醫(yī)院團隊對患者進行了頭顱薄層CT掃描,設(shè)計并3D打印出個性化的蝶顎神經(jīng)節(jié)介入導航模板,術(shù)中以模板引導穿刺至目標靶點,以少量局麻藥物精準地完成了蝶顎神經(jīng)節(jié)阻滯,阻滯完成時患者即刻感到鼻塞感及眼部的酸脹感明顯緩解,左面部的持續(xù)性隱痛也明顯好轉(zhuǎn)。隨后,團隊利用該導航模板進行了一次蝶顎神經(jīng)節(jié)脈沖射頻治療與兩次阻滯治療,患者左面部的疼痛完全消失。3D打印個性化導航模板,不僅極大縮短了手術(shù)時間,減少了手術(shù)的創(chuàng)傷,對需要進行多次手術(shù)操作的患者,更是極大的幫助。

與3D打印鈦合金定制化飛機零部件和超級轎跑個性化零部件一樣,假肢、助聽器等康復醫(yī)療器械同樣具有小批量、定制化的需求,并且設(shè)計具備復雜性,傳統(tǒng)數(shù)控機床受到加工角度等因素的限制往往難以實現(xiàn)。此外,利用3D打印技術(shù)制作單個定制化康復輔具的成本會顯著下降。

3D打印康復醫(yī)療器械的推廣需要專業(yè)的醫(yī)療器械服務商介入,從數(shù)據(jù)采集、設(shè)計、成型以及產(chǎn)品的認證方面進行專業(yè)的操作。

史上最小3D打印定制鈦金屬助聽器問世

Phonak與德國3D打印公司EnvironTEC合作開發(fā)出定制式鈦金屬助聽器VirtoB-Titanium。這一定制模式的亮點在于外殼和主要部分均為3D打印,并且外殼不是由傳統(tǒng)的助聽器外殼丙烯酸構(gòu)成,而是使用重量更輕,強度更高的鈦金屬制成,為此,外殼的厚度在同等安全程度的情況下減少了50%(0.2毫米)。通過3D打印技術(shù),不但大大縮短了助聽器定制的時間(據(jù)了解,該設(shè)備可在1小時內(nèi)制作65個助聽器殼或45個耳模),還將更加精確地適配聽損者的耳道形態(tài),這種技術(shù)幾乎不受傳統(tǒng)耳模制作人員的技術(shù)差距影響。

牙齒修復和治療的成本是牙科診所、實驗室需要考慮重要因素,很多有先見之明的牙科診所、實驗室已經(jīng)引入數(shù)字化口腔技術(shù),以提升效率、降低成本。近年來,以軟件設(shè)計為基礎(chǔ)的牙科修復變得普及,很多牙科診所、實驗室或?qū)I(yè)義齒生產(chǎn)企業(yè)都引入了3D打印技術(shù)。結(jié)合了3D打印的數(shù)字化口腔技術(shù)為牙科行業(yè)帶來了精度高、成本低、效率高,以及符合規(guī)范化生產(chǎn)鏈相符的口腔數(shù)據(jù)。

許多牙科診所或?qū)嶒炇叶加欣?D打印機來制造患者牙齒模型。制作模型需要的三維數(shù)據(jù)可以通過直接掃描口腔來收集(掃描整個口腔大約需要2分鐘),或者通過間接掃描傳統(tǒng)的物理模型的方式來收集。牙科3D模型可以用作模具并使用傳統(tǒng)方法輔助生產(chǎn)牙冠、假牙等。另一種作用與骨科、腫瘤手術(shù)3D模型類似,即用來模擬、規(guī)劃手術(shù)過程,或與患者溝通手術(shù)過程。

直接3D打印義齒也已經(jīng)可以實現(xiàn)。Envision TEC公司已經(jīng)有一種打印材料獲得了食品及藥物管理局(FDA)的認證,這些3D材料可以直接用來打印臨時牙冠。該臨時牙冠給患者佩戴的時間甚至可以長達5年之久。不少專業(yè)人士預計,到2020年以前,大多數(shù)牙醫(yī)都會逐漸開始使用3D打印的牙冠,從而不需要牙科實驗室進行高度專業(yè)的生產(chǎn),同時也滿足了病人對于牙冠的不同需求。

此外,通過3D打印技術(shù)生產(chǎn)的牙齒矯正器也走向應用。比起傳統(tǒng)的牙齒矯正器,3D打印透明矯正器不僅隱形、美觀,而且尺寸更適合患者在矯正期間每個階段的牙齒狀態(tài)。相比傳統(tǒng)方式下需要依靠牙醫(yī)的經(jīng)驗進行調(diào)整,這種矯正技術(shù)更具優(yōu)勢。在國外ClearCorrect公司已經(jīng)使用Stratasys公司的3D打印設(shè)備和材料生產(chǎn)透明矯正器。國內(nèi)也有時代天使這樣的隱形矯正器品牌。

用3D打印技術(shù)制作金屬材料的牙冠固定橋等修復體也成為牙科行業(yè)應用的技術(shù)?？傊?3D 打印將數(shù)字化口腔技術(shù)的效率帶到生產(chǎn)階段。通過結(jié)合使用口腔掃描、CAD/CAM 設(shè)計和 3D 打印,牙科實驗室可以準確、快速的生產(chǎn)牙冠、齒橋、牙科模型、矯正器等一些列的牙科產(chǎn)品。

在牙科行業(yè)常用到的3D打印技術(shù)主要有:光敏樹脂選擇固化技術(shù)(SLA)、選擇性激光熔化技術(shù)(SLM)、噴墨打印技術(shù)(Polyjet)、金屬激光燒結(jié)技術(shù)(DMLS),實質(zhì)上也是SLM技術(shù)。但每種技術(shù)適合加工的牙科產(chǎn)品不同。SLA技術(shù)主要用于牙科手術(shù)導板、臨時牙冠和牙橋制造,以及失蠟鑄造的樹脂模型。牙冠固定橋等修復體所采用的材料主要有牙科用金合金、鈦合金、鈷鉻合金和不銹鋼等,這類修復體對精度要求很高,且修復體的形狀比較復雜。SLM 技術(shù)因具有快速、可直接制造精密的、個性化的復雜金屬結(jié)構(gòu),所以在口腔修復體制造中有很大優(yōu)勢。Polyjet技術(shù)在制作牙模、手術(shù)導板、貼面模型、牙齒矯正器、遞送和定位托盤以及各類模型的相關(guān)實驗室和業(yè)務設(shè)計方面有許多應用案例。DMLS技術(shù)工藝原理出自選擇性激光熔化(SLM),Traini T等已采用此技術(shù)直接制造功能梯度鈦材料的多孔牙科植入體。

不論是三維口腔掃描、CAD設(shè)計軟件還是用3D打印牙模、牙冠,這些數(shù)字化技術(shù)的意義在于,使醫(yī)生逐漸不必再親自動手制作模型、義齒等牙科產(chǎn)品、承擔牙科技師的工作,而是將更多精力回歸到口腔疾病的診斷及實施口腔手術(shù)本身。對于牙科技師而言,雖然遠在醫(yī)生診室之外,但只要獲得患者的口腔數(shù)據(jù),就可以根據(jù)醫(yī)生要求定制出精準的牙科產(chǎn)品。

之前提到使用金屬、塑料等非活體組織材料3D打印的定制化假肢、牙科、骨科植入物、助聽器外殼等醫(yī)療器械都屬于“初級階梯”。而打印血管、軟骨組織這類單一的活體組織屬于“中級階梯”。3D打印的人工肝臟、心臟等人工器官則屬于“頂級階梯”。

無論是人造血管、軟骨組織,還是肝臟組織、腎臟組織,其核心是特定類型細胞的分離(或定向誘導)及大規(guī)模擴增。而生物3D打印技術(shù),在人工組織、器官培養(yǎng)過程更多承擔了三維形狀的構(gòu)建,即讓人體細胞按照預先設(shè)計好的形狀來生長。因此人造器官、組織的發(fā)展更大程度上取決于生物技術(shù)的發(fā)展。

日本京都大學研發(fā)出促進神經(jīng)再生的生物3D打印導管

日本京都大學的研究人員使用 來自Cyfuse Biomedical的Regenova 3D生物打印機創(chuàng)建管狀導管,可以促進受損的神經(jīng)細胞再生。研究人員在六只老鼠身上使用8mm3D打印導管橋接神經(jīng)中的5mm間隙;對于其他六只,使用當前標準的硅管。研究人員發(fā)現(xiàn),3D生物打印導管有助于促進老鼠的神經(jīng)再生,速度比硅膠管更快,這進一步表明生物3D打印導管有一天可以用于幫助患者的神經(jīng)損傷恢復。

3D打印血管植入動物體內(nèi)

之前,有報道稱俄羅斯生物科技集團3D Bioprinting Solutions已成功將3D打印甲狀腺植入一只老鼠體內(nèi)。2016年底中國科學家已成功將3D打印血管植入恒河猴體內(nèi),這標志著在打印血管及其他器官用于人類移植方面邁出了重要的一步。該可3D打印機打印出約2厘米長的血管樣本,然后將這些血管植入30只恒河猴的胸腔中。植入一個月后,人工血管中的干細胞生長成天然血管所需的多種細胞,隨著時間推移,這些細胞與恒河猴的原生血管已變得“不可區(qū)分”。

UCSD團隊3D打印出僅5毫米大血管網(wǎng)絡并成功植入動物體內(nèi)

利用自行研制的數(shù)字光處理(DLP)3D打印機,他們成功打印出了復雜的血管網(wǎng)絡,而此網(wǎng)絡在被植入小鼠體內(nèi)后居然成功與后者的血管系統(tǒng)實現(xiàn)了融合,并且表現(xiàn)出了正常的功能。 與之前出現(xiàn)過的類似項目相比有如下幾個明顯的優(yōu)點:①基礎(chǔ)是真實的人類血管掃描數(shù)據(jù),所以打印出的血管更復雜,連毛細血管都包含。相比之下,其它類似項目很多都只是打印出簡單的一段;②采用的材料除了光敏聚合物還包括了水凝膠和內(nèi)皮細胞,所以血管網(wǎng)絡的兼容性更好。并且,光敏聚合物的成本還很低。③打印速度非?？?整個過程只用了十幾秒(當然也是因為血管網(wǎng)絡本身就很小,尺寸僅為4毫米x5毫米x0.6毫米),而如果換做擠出式3D打印技術(shù),可能要數(shù)小時。在花費1天時間培養(yǎng)了一些這樣的3D打印血管網(wǎng)絡后,團隊將它們植入了小鼠的皮膚傷處。兩周后,他們驚喜地發(fā)現(xiàn),這些人工血管不但與小鼠自身的血管網(wǎng)絡成功融合,而且沒有出現(xiàn)任何堵塞情況—小鼠的血液循環(huán)十分正常。毫無疑問,這就為對于人類的器官移植帶來了新的希望。

加拿大生物公司Aspect聯(lián)手強生研發(fā)3D打印膝關(guān)節(jié)軟骨

加拿大生物技術(shù)公司Aspect Biosystems與強生DePuy Synthes Products達成一項新的研究合作,用Aspect的“打印機上的實驗室(Lab-on-a-Printer)”生物打印平臺來開發(fā)適用于手術(shù)治療的生物打印膝蓋半月板。

法國完成全球首例“3D打印模具輔助制作定制化支氣管”植入手術(shù)

該定制的支氣管是CHU醫(yī)院與圖盧茲的專業(yè)定制化3D打印植入物公司Anatomik Modeling聯(lián)合制作的。首先對病人的支氣管進行3D掃描,然后基于所得數(shù)據(jù)3D打印出等比例模型,最后以此模型為模具進行硅膠鑄造。3D打印的模具精確再現(xiàn)了患者的原始支氣管形狀達到最佳效果。

跨尺度血管結(jié)構(gòu)的生物3D打印

浙大賀永團隊研發(fā)了一種血管3D打印工藝,該工藝能實現(xiàn)宏微跨尺度血管結(jié)構(gòu)的打印,宏觀流道可用于各種機械力的加載,微觀通道可用于營養(yǎng)輸送以及化學物質(zhì)的加載。本血管打印模型可以集成在器官芯片上,可應用于藥物篩選、細胞共培養(yǎng)、細胞力學等領(lǐng)域。

這是一種全新的血管打印方法。其特點是能實現(xiàn)宏微跨尺度流道的同時成形。通過課題組自行研發(fā)的血管打印機,利用同軸噴頭制造出中空凝膠纖維,裝載成纖維細胞和平滑肌細胞的凝膠纖維可控沉積在三維打印平臺中的旋轉(zhuǎn)模板上,內(nèi)皮細胞種在中空凝膠纖維融合后形成的宏觀通道內(nèi)。課題組通過大量的工藝實驗,系統(tǒng)解決了跨尺度血管結(jié)構(gòu)的成型問題;通過流體流動實驗演示了多尺度流道的用處;并通過后續(xù)的三層細胞培養(yǎng)實驗展示了在組織工程應用中的可能性。

通過3D打印成形技術(shù)制備藥物緩釋裝置,與傳統(tǒng)壓片方法相比具有獨特的優(yōu)勢。3D打印可以實現(xiàn)多種材料精確成形和局部微細控制,得到具有復雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的裝置;釋藥特征與所設(shè)想的復雜釋藥行為一致。通過3D打印成形技術(shù),將粉末材料粘結(jié)成形,可以方便的實現(xiàn)醫(yī)學應用中常需要的具有復雜型腔的多孔結(jié)構(gòu),對于藥物釋放有著重要意義。

通過調(diào)整打印液流速、噴頭移動速度、打印液液滴直徑、粉末鋪層厚度、噴涂次數(shù)、噴涂角度、噴涂位置等工藝參數(shù),可以改變藥劑中含量、輔料成分和組成,從而改變藥物釋放速率和釋放量,使得具體的生產(chǎn)過程靈活而簡單,通過CAD(計算機輔助設(shè)計)為單個患者設(shè)計制造理想化的治療方式成為可能。

3D打印協(xié)助科學家研習開發(fā)可探測病毒的醫(yī)用傳感器

3D打印原型探測器,其中包含一個采用了機器學習技術(shù)來不斷進行自我調(diào)整的傳感器。一種新的、更有效的微小物質(zhì)檢測方法由此誕生,該方法可檢測癌癥生物標志物、病毒、蛋白質(zhì)等。這可以改善嚴重感染和疾病的診斷和治療。讀取器包括四種不同顏色的LED、一個相機和一個3D打印塑料外殼。由于采用了3D打印技術(shù),原型的造價很便宜,但同時也很耐用,可根據(jù)不同的情況進行定制化設(shè)計。

UCLA推出新型生物墨水,可3D打印成藥物

加州大學洛杉磯分校(UCLA)開發(fā)出了一種全新的生物墨水,而這種墨水能夠通過噴射3D打印技術(shù)被制成藥物。 UCLA此次開發(fā)的新型生物墨水主要成分是透明質(zhì)酸(一種天然生物分子,廣泛存在于皮膚、結(jié)締組織、神經(jīng)系統(tǒng)中),至于其3D打印過程則大致如下: 1)與光引發(fā)劑混合,從而在受到光線照射時固化; 2)與鹽酸羅匹尼羅(用于治療帕金森氏癥)混合,組成藥物原材料—這里說明一下,之所以會選鹽酸羅匹尼; 作為API主要是因為它具有良好的親水性,很容易溶解—這不但有利于人體吸收,而且有利于測算藥物溶解速率。 3)將上述混合物通過壓電噴嘴沉積成型。UCLA團隊對其在模擬胃部酸性環(huán)境中的溶解速率進行了測量。結(jié)果顯示其溶解率在15分鐘內(nèi)就超過了60%,到30分鐘時更是超過了80%。但是,這種藥物也有不足之處,就是在1小時的溶解后,會失去一小部分(約4%)。

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