3D打印在植入体制造领域的应用

       近年来工业级3D打印设备在航空航天、汽车制造、医疗卫生、艺术品复制等领域展现了良好的发展态势。得益于精细度高、成品坚固、可复制复杂的几何模型等因素，越来越多的行业领域乐于采用3D打印的方式。其中，医疗和外科中心对3D打印需求占市场份额的三分之二。3D打印技术从2012年应用于医疗行业以来，在增材制造领域发展迅猛，解决了大部分的植入体制造难题。
     
       除了，辅助医疗、制造部分人体器官，3D打印在提供订制、个性化的医疗设备方面有着较强的潜力。据Allied Market Research 统计，2015年全球3D打印医疗保健市场的销售额为5.79亿美元，预计2020年将增长至23.638亿美元。此外，该组织还预测2015年至2020年，全球3D打印医疗保健市场的年均增长率为26.6%。

       此外，医疗机构出示了一份医用3D 打印市场份额，其中Mdical/dental( 医疗行业) 占据15.1%。Consumer products( 消费品) 拥有20.3%的市场份额，占第一名。第二位的便是Motor vehicles，占整个市场销售份额的19.5%。从以上数据可以看出，3D 打印技术在医疗行业的应用前景广阔。

3D打印植入体现状

       目前常见的3D打印骨科应用已经进行了充分的实验，3D打印的医疗植入体将实现更加广泛的商业应用。同时3D打印医疗植入应用正迅速扩大到膝盖、脊椎、肩和其他植入物，以弥补传统治疗方法在特殊病例中的不足。

       3D打印能够生产出超常规理念的复杂结构零件，并且打印成本和打印时间在不断减少。克利夫兰知名肝脏医生Nizar Zein谈道，2012年打印一个肝脏模型要需要6个星期左右，而现在只需要30小时左右。不仅时间提高了很多，打印精度也有了质的提升。

       3D打印目前主要发展方向是以生物相容性为目的。医学植入体中的多孔及胞格结构需要采用利于骨骼生长和细胞迁移的贯通式开孔结构。同时也为了避免金属材料较高的弹性模量造成的“应力屏蔽”现象，保证植入体的力学性能与真实骨结构相匹配。就需要采用3D打印特有的多孔结构/胞格结构设计制造，根据需要对孔的类型、孔径尺寸、孔壁厚度及孔隙率进行设计后完成打印过程。

       四种多孔结构/胞格结构单元，其构造与为实现轻量化要求的点阵夹芯结构类似。但是目的不同，其目的在于保证结构单元组成的生物植入体具有良好的生物相容性。以图中Arcam公司EBM技术制造髋臼杯为例。经过生物体实验证明，这种结构植入体有较好的生物相容性，孔结构内有大量的骨组织长入。

3D打印的三个层次

       3D打印技术在医疗领域应用可分为三个层次，离人体越近的应用难度越大，离人体远一点的相对简单，比较容易实现。第一层是人体外应用。例如，利用3D打印机可将CT、MR的二维图像生成三维图像和模型，大夫分析病情时更直观，也能帮助他们术前分析和规划，降低手术风险。

       第二层离人体更近一步，变成了打印一些医疗辅助工具。例如，种牙时为了种得比较准确，可以利用3D打印技术将患者的牙齿模型打印出来，先用计算机模拟种牙的位置、角度和深度，再打印出“导板”, 有了“导板”牙齿就能非常准确地植进去。

       在未来十年内，3D打印的医疗模型和定制的手术导板很可能成为许多手术的标准流程，包括心脏手术、下颚手术、全膝关节置换术、髋关节置换术、颅内植入、肩关节手术、脊椎手术或者更多其他手术。

       3D打印在前两层的应用由于不涉及人体器官的改变，因而相对比较容易，到了第三层，即植入人体内的组织、支架、骨骼和器官等，这一层的应用就需要较高的技术含量。2015年世界首例3D打印钛金属脊柱植入手术成功。同时，西班牙在3D打印胸肋骨植入手术上也取得成功进展。

       骨科植入成功意味着3D打印技术已进入第三层，未来，3D打印将向细胞打印层面发展。细胞打印属较为前沿的研究领域，是一种基于微滴沉积的技术——一层热敏胶材料一层细胞逐层打印，热敏胶材料温度经过调控后会降解，形成含有细胞的三维结构体。

       细胞打印能够为再生医学、组织工程、干细胞和癌症等生命科学和基础医学研究领域提供新的研究工具，为构建和修复组织器官提供新的临床医学技术，推动外科修复整形、再生医学和移植医学的发展。可应用于药物筛选技术和药物控释技术，在药物开发领域具有广泛前景。

       此外，3D打印技术在医疗应用方面的研究还涉及纳米医学、制药乃至器官打印。通过3D打印制造的医疗植入物将显著提高人类的生活质量，因为3D打印产品可以根据确切体型匹配定制，如今这种技术已被应用于制造更好的钛质骨植入物、义肢以及矫正设备。打印制造软组织的实验已在进行当中，很快通过3D打印制造的血管和动脉就有可能应用于手术之中。

制约因素

       随着辅助制造行业的快速发展，3D打印将在未来十年内成为医疗辅助制造主力军，医疗卫生行业的未来正变得越来越清晰。但潜力大的同时，也有很多因素在制约着医用3D打印行业的发展。时下，医用3D打印行业的制约因素到底是什么？ Allied Market Research表示：多材料3D打印、太阳能动力以及便携式全彩3D 打印机，在这些没有实现之前，其在医疗领域的发展会受限。

       制约医用3D打印行业发展的主要因素是3D打印的材料，医用3D打印材料要求生物兼容性，置入人体时不易产生生物排他性。目前，既可置入人体又可用于3D打印材料并不多，这就导致材料成为医用3D打印行业发展的瓶颈。当下，3D打印活性细胞材料正在研发，2014年，俄罗斯出现3D生物打印机，之后，使用生物墨水打印出活性细胞，但只能用于小白鼠身体上，并没有形成正式的临床案例。

       如Allied Market Research所述，医用3D打印不能局限于单个材料的3D打印，有可能多个材料同时进行3D打印工作，这就要求3D 打印机的硬件设备具备多材料打印的功能。此外，全彩打印也是重中之重，单一颜色材料的打印远远满足不了医疗行业的需求。

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