个性化、更精准 当有机硅遇上 3D 打印

来源:荣格国际医疗设备商情

发布时间:2019年6月18日下午 05:06:48

时至今日,3D 打印已不再是新鲜事物。这项技术的思想起源于 19 世纪末的美国;在 20 世纪 80 年代得到发展和推广;到了新世纪,随着计算机技术、 材料科学、成像技术等基础科研的发展,3D 打印开始 大规模地得到应用,难怪被称为“上上个世纪的思想, 上个世纪的技术,这个世纪的市场”。

时至今日,3D 打印已不再是新鲜事物。这项技术的思想起源于 19 世纪末的美国;在 20 世纪 80 年代得到发展和推广;到了新世纪,随着计算机技术、 材料科学、成像技术等基础科研的发展,3D 打印开始 大规模地得到应用,难怪被称为“上上个世纪的思想, 上个世纪的技术,这个世纪的市场”。

航空工业与医疗产业是最先开始应用 3D 打印的领域,目前,3D 打印已经在这两个方面实现了相当规模 的应用。其中,医疗器械行业是 3D 打印最为重要的市 场之一,它能实现个性化、精准化的医疗服务,需求 量正在迅速增长,例如医疗模型、手术导板、牙科及 骨科植入物、组织器官生物打印等逐渐进入临床,部 分已实现规模化生产。

根据美国咨询公司 Wholers Associates 的 数据, 2000 年以来,利用 3D 打印机定制生产的助听器壳体 和耳模已逾 6000 万件。从人工髋关节到钛颚骨再加上 各种假肢,数十万患者已经安装了 3D 打印的骨科植入 体。3D 打印的手术导板让手术更为精确,造福无数患 者。如今每年约有 10 万例膝关节置换手术是以这种方 式进行。医院和口腔颌面等外科医生也越来越多地进 行医疗模型的 3D 打印。借助磁共振成像(MRI)和 计算机断层扫描(CT)等手段提供的解剖学数据,3D 打印医疗模型不仅可以保留高水平的细节,还能节省 大量的时间和金钱,

医疗行业如此迅速地接受增材制造并不奇怪。人的身材尺寸各异,因而 3D 打印机定制化生产的能力是 一个福音。计算机辅助设计(CAD)软件控制这些打 印机,引导它们一层层地堆积材料来构建物体,医学 扫描的实际是 CAD 文件。传统工厂中的工具更适合批 量生产一模一样的产品,而软件改动起来则更快速、 更经济。

3D 打印的主动脉瓣。 (图片:瓦克化学)

有机硅成功实现3D打印

材料的成熟度和扩展一直以来是 3D 打印技术发展 的重要因素之一。在医疗领域,由于属于非常特殊的 一类应用领域,对于 3D 打印材料的物理化学特性、工 艺流程、软件等提出了更高的要求,尤其对材料与产 品的生物兼容性提出了更为严格的要求。目前可用于 3D 打印的材料,常见的有树脂、合金(如镍基铬、钴、 铝、钛等)、聚合物、陶瓷、塑料等。其中,作为在 医疗行业已得到成熟而广泛应用的高分子弹性体,有 机硅最大的优点是成分简洁,安全可靠,具有良好的 生物相容性。有机硅弹性体具有出色的柔韧性与弹性, 其外观和触感比其他材料更接近人体。

以前,有机硅成型主要采用复杂的注塑成型工艺: 生产商必须首先准备好模具,然后将液体硅橡胶加压 注入其中。这种方法成本过高,只适合大规模生产。 有机硅 3D 打印则实现了全新的部件设计。

有机硅 3D 打印可以覆盖产品不同的生命周期,无 需使用任何工具或模具,便可直接将数字模型转换为 实物,从而降低生产成本、节省生产时间、大幅缩短 工艺周期,同时在产品开发期间快速改进产品;另一 方面,有机硅 3D 打印还可对结构复杂的功能性部件和 原型件进行功能整合。

不过,有机硅这种特殊的软胶材料要想实现 3D 打 印,难度可非同一般。作为拥有 70 多年历史的有机硅 材料供应商,瓦克化学是全球很早进入开发有机硅 3D 打印技术的公司之一。瓦克 ACEO® 3D 打印技术是全 球首项用于液体硅橡胶组件增材制造的工业级技术。 其独特的“按需喷墨”技术让 ACEO® 可以实现充分的 设计自由度,用于打印高功能性部件,同时保持硅橡 胶的耐高温性、抗辐射性及生物相容性等优异性能。 将 ACEO® 3D 打印技术应用于医疗领域,显然将给整个行业的发展和病人的福祉带来极大的 益处。

3D 打印的血管。(图片:瓦克化学)

医疗模型

医疗模型在当今的医疗应用中具有 显著优势。它们在临床训练、手术计划 可视性和模拟性、病情告知以及医疗器 械开发过程中的模拟环节均大有用武之 地,甚至还可用作精密假肢的定制模型。 由于其外观和触感比其他材料更接近人 体,医疗模型在临床应用、大学及研究 机构中扮演着越来越重要的角色。

3D 打印的医疗模型可用于创建具 有复杂内部结构的有机结构,并且应用 范围广泛。有机硅弹性好、可变形且易 于切割和缝合无疑也是一大优势。有了 这类模型,医生便可向病人展示其内部 器官的情况以及需要采取的治疗手段。 例如,外科医生可以使用成像数据 3D 打印患者的心脏,并在几乎真实的条件 下预习手术步骤,从而预测并减少手术 过程中的突发问题。

ACEO® 独特的基于有机硅弹性体 的“按需喷墨”技术可用于打印结构 复杂的三维解剖模型。此类模型模拟 生物力学的逼真度达到了前所未有的 水平。有机硅弹性体具有出色的柔韧 性与弹性,并且易于切割和缝合,尤 其适用于复制血管、心脏、肌肉或皮 肤等柔软组织。

ACEO® 3D 打印技术可用于复制 人体器官,制造具有生物相容性的硅橡 胶组件,此类组件在科学领域和医疗行 业的需求始终持续增长。所有 ACEO® 通用型材料的生物相容性均已通过 ISO10993 和 USP Class VI 认证。

ACEO® 全 球 市 场 总 监 Egbert Klaassen 说道:“采用真正的有机硅弹 性体打印而成的解剖模型展现了解剖 模型所能达到的极致逼真度。瓦克与 多家大学、诊所和研究机构的专家共 同开发了一个包括血管、主动脉弓、 主动脉瓣和三尖瓣模型在内的基础产 品系列,并计划在大众市场上推广。 客户可以直接订购上述模型,也可以 通过 ACEO® 网络商店上传他们所需要 的模型并下单订购。”日前,ACEO® 有机硅 3D 打印服务的中文网站和网上 商店已经正式上线。

人工牙龈

牙科是 3D 打印迄今为止应用最 为 成 熟 的 医 疗 领 域, 根 据 SmarTech Markets 的研究预测,2020 年牙科与医 学领域的 3D 打印市场规模有望达到 45.44 亿美元。牙科的数字化技术可追 溯到 20 年前。当时牙冠的标准制造流 程是先获得牙齿印记,再将其送到实验 室用石膏浇注。然后,牙科技师对石膏 进行 3D 扫描以创建 CAD 结构。之后, 数据被传送到 CNC 铣床或金属 3D 打 印机上生产定制的牙冠。这段时间发生 的变化是牙医在本世纪之前很少使用口 内 3D 扫描仪。随着时间的推移,牙齿 印记和石膏部件逐渐被淘汰。

近期,慕尼黑口腔修复综合医院 的牙科实验室在一个项目中选用了 ACEO® 来进一步推动增材制造的人工 牙龈的应用。人工牙龈在口腔种植领域 用以模拟患者的真实牙龈情况,与打印 的牙齿模型配合使用,能够清晰的反映 出患者的病理情况。患者口腔的数字印 记和物理印记都可获得,但真实牙龈的 柔软和敏感是无法进行数字化计算的。 因此,打造完美的牙冠需要一种更真实 的牙龈模型,其材料应比石膏更柔软并 且可以改变形状。

有机硅的特性与牙龈相似。它们 不可渗透并且通过了 IIa 类医疗器械测 试,它们具有不同的硬度和颜色,因 此 3D 打印部件的外形和触感都很逼 真。另一方面,目前尚未开发出适用 于有机硅加工的减材制造技术,通过 3D 口内扫描仪获取数据时,创建实体 模型的唯一方法是进行铣削或打印。 ACEO® 使用高质量材料,用紫外线固 化,并且不添加增塑剂,因此不会影 响触感和机械性能。它为制造人工牙 龈提供了完美的解决方案。

采用 ACEO® 3D 打印的硅橡胶人工牙龈。(图片: Josef Schweiger,慕尼黑大学附属医院口腔修复科)

前景与挑战

有机硅 3D 打印是一种新兴的技术, 但是已经开始逐步有应用落地,未来在 工业领域应用范围会越来越广。利用 3D 打印对复杂形状不敏感、无需开模 等优势,越来越多的创新设计正在涌现, 生产效率也得到有效提升。全世界不仅 在探索 3D 打印在原型打印、小批量及 零部件打印方面的潜能,而且越来越多 利用真正的 3D 结构的优势实现创新设 计,例如:解剖模型、晶格结构的使用, 以及机器人抓手等。基于 MRI 或 CT 数据的有机硅 3D 打印展示了无限的可 能性。未来,各种新应用将层出不穷。 例如,通过 3D 打印的定制有机硅呼吸 面罩和助听器不久即将问世。

不过,一项新技术的发展总是伴随 着阻碍,由于市场对 3D 打印的认知不 足和资格审查流程标准不明确,市场上 出现了一些低性能产品,损害了有机硅 的声誉。对于那些并非从传统流程了解 有机硅的用户而言,这种情况尤为严重。 因此,专业组织、行业协会等机构应积 极解决有机硅3D打印的标准制定问题。 制造商应与客户紧密合作,利用有机硅 3D 打印技术使生产变得更加灵活,能 够对不同需求快速做出响应。

相信在不久的将来,随着包括有机 硅在内的诸多 3D 打印材料的成熟与完 善,巧妇不再难为无米之炊。材料科学、 3D 打印等技术的进步将继续推动医疗 行业迎来革命性的变化。

本文图片和部分资料来自瓦克化学。

Tell A Friend

评论

Image CAPTCHA