医用有机硅的 3D 打印技术

来源:荣格国际工业激光商情

发布时间:2019年9月27日上午 10:09:39

有机硅是一种在医疗行业应用广泛的高分子弹性体,其最大优点是成分简洁,安全可靠,具有良好的生物相容性。相较于其他材料,它具有独特的优势:与PVC材料相比,有机硅材料不需要添加增塑剂就可以达到很柔软的效果;与乳胶材料相比,有机硅材料没有致敏的风险;与热塑性弹性体材料相比,有机硅材料具有更可靠的耐温、耐压变性能。同时,有机硅材料本身具有固、液两大形态,适用于多种成型工艺,能够很好地适应医疗行业纷繁复杂的加工需求。
 
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。
 
瓦克化学是一家拥有70多年历史的有机硅材料供应商,也是全球很早进入有机硅开发的公司之一。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。凭借其独特的“按需喷墨”技术,ACEO®可确保充分的设计自由度,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。采用ACEO®技术打印而成的硅橡胶组件广泛应用于汽车、航空航天、医疗、设备行业以及机械工程等众多关键行业。

解剖模型(从左至右):采用硅橡胶打印而成的主动脉弓、血管、主动脉瓣和三尖瓣

3D 打印解剖模型

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、肌肉或皮肤等柔软的组织。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。近期,瓦克ACEO®团队推出了解剖模型系列。它与多家大学、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。
 
解剖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,解剖模型在临床应用、大学及研究机构中扮演着越来越重要的角色。
 
3D打印在牙科领域
 
3D打印在牙科领域拥有长久的应用历史。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扫描采用以创建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。人工牙龈是牙冠生产过程中的植入物。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医学分类IIa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®“按需喷墨”技术3D打印的硅橡胶人工牙龈(© Josef Schweiger,慕尼黑大学附属 医院口腔修复科)

3D 打印生物模型

生物模型是探索解剖结构及其特性的医学工程。它可分为个人模型和通用模型。个人模型可用于术前测试、假体制造或矫正手术等目的。通用模型则具有教育功能。
 
医院和口腔颌面等外科医生越来越多地对这些模型进行单独3D打印。直至今日,3D打印材料的选择仍然有限,因此这些模型仅可用于有限用途。同时,诸如磁共振成像(MRI)和计算机断层扫描(CT)等现代放射学程序提供的解剖学数据也可用于创建3D打印有机硅模型。

3D打印的血管(©瓦克化学)

3D打印的生物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。
 
基于MRI或CT数据的有机硅3D打印生物模型提供了无限的机会。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。
 
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。因此,有机硅3D打印仍有巨大的发展空间。
 
但是,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。
 

 

本文由瓦克化学公司供稿

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