3D打印推动医疗技术革命

利用3D打印制造患者定制植入物的技术已取得显著进展，但手术导板和术前模型仍是最广泛应用于医疗领域的3D打印技术。原因很简单：“进入门槛相对较低，”IDTechEx首席技术分析师、参与编写《2024-2034年3D打印与增材制造技术与市场展望》报告的Sona Dadhania解释道。

 

调查显示，医疗技术行业在原型制作应用中的3D打印使用率与其他行业相当。尽管进入门槛可能较高，但Dadhania指出，在医疗领域将3D打印应用于最终用途应用方面仍有巨大潜力。事实上，“在某些特定应用中，3D打印已取得显著进展。”

 

牙齿矫正器便是其中一例：几乎所有牙齿矫正器均通过热成型技术，利用患者牙齿解剖结构的3D打印阳模制成。据Dadhania介绍，全球每天生产约100万件牙套部件，而美国62%采用3D打印技术的牙科实验室将该技术应用于其他牙科领域，包括牙托/夜间护齿器、临时及永久牙冠和牙桥。

 

除牙科领域外，3D打印技术公司Materialise估计，目前许多助听器通过3D打印技术生产。金属3D打印技术在医疗应用中也日益普及，Dadhania以医疗设备制造商Stryker为例，该公司自2013年以来已3D打印了一百万个无骨水泥膝关节置换术装置。

 

一窥未来

聚醚醚酮（PEEK）已被广泛应用于医疗植入物领域。“像PEEK这样的高温热塑性塑料，具有生物相容性，且弹性模量低于钛等常见医疗植入材料。”Dadhania解释称，高温热塑性塑料对应力屏蔽现象（即植入物承受过多应力导致邻近骨骼弱化）的抗性更强。据医疗科技供应商Himed介绍，PEEK在3D打印植入物应用中还具备其他优势，但需通过后期处理才能充分发挥其潜力。

 

Himed向医疗设备原始设备制造商（OEM）供应生物材料（主要为磷酸钙），用于表面处理应用。其Matrix系列系统可为金属和聚合物植入产品提供无残留、均匀的宏观和微观表面纹理以及生物活性涂层。近年来，客户开始联系Himed寻求3D打印钛合金椎间融合器的后处理服务。“他们认识到我司磷灰石磨料在去除3D打印过程中产生的外观缺陷或松散残留物方面的价值。”Himed总裁Craig Rosenblum解释道。最终，3D打印的聚醚醚酮（PEEK）植入物进入视野，Himed已准备好提供解决方案。

 

图片版权属于Himed

 

“PEEK在脊柱应用中展现出显著价值，例如，3D打印技术能够制造出采用传统方法无法生产的具有独特复杂结构的各类装置。”Rosenblum表示。PEEK的放射透明性——与钛不同，它不会干扰患者的X光成像——在植入式应用中具有明显优势。该材料还具有类似骨骼的力学性能和化学稳定性，但其疏水性及无法直接与骨组织整合的特性限制了其实际应用。Himed 通过使用生物活性磷酸钙促进 PEEK 的骨整合，具体方法包括修改表面纹理、涂覆生物活性羟基磷灰石涂层，或将生物活性材料融入 PEEK 中。

 

归根结底，新技术不断涌现，但材料始终是核心，Rosenblum指出。“作为生物材料供应商，我们与医疗设备客户紧密合作，识别问题并寻找解决方案。最终都归结为材料科学问题。”

 

“我们30年前开发的用于在涂覆前粗化设备表面的核心材料，如今正是人们认可的用于3D打印设备后处理的宝贵材料，”Rosenblum评论道，“这是同一材料针对3D打印挑战进行的全新应用。这些新问题的答案就藏在材料本身中。”

 

近期突破

全球首例3D打印脚趾关节置换术、用于乳房植入物修复的3D打印可吸收乳房支架，以及用于接受放射治疗的癌症患者的3D打印口腔支架，是近期引起Dadhania关注的三大医疗科技突破。

 

“这些进展标志着3D打印技术正从医疗模型向更具功能性和治疗性的应用领域扩展，这一进程正以应用为导向逐步推进，”Dadhania表示，“在牙科应用领域，人们对直接打印如矫正器和多色功能性义齿表现出浓厚兴趣。软件也在不断进步，以简化和自动化将数字成像转换为可直接3D打印或用于设计3D打印设备的3D模型的过程。”

 

最近一个医疗3D打印突破的案例，就是全球首例3D打印PEEK面部植入物。3D Systems与瑞士巴塞尔大学医院合作，设计并生产了一款符合欧盟医疗器械法规的3D打印定制植入物，该植入物于2025年3月18日在该医院完成的成功手术中使用。被称为首款符合MDR标准的面部植入物，采用Evonik的VestaKeep i4 3DF PEEK材料，在3D Systems的EXT 220 MED打印机上制造。3D Systems表示，该打印机的洁净室架构和简化的后处理工作流程，使医院能够高效生产患者特定的医疗设备。

 

“我们的目标始终是为患者提供最佳护理，”巴塞尔大学医院的Florian Thieringer教授表示，“就在我们医院内直接参与患者特定植入物的设计和制造，使我们能够精确定制治疗方案、更快响应需求并改善手术效果。按需生产植入物的能力标志着个性化医疗的新时代。”据悉，自2023年8月推出以来，EXT 220 MED系统已在合作医院的80多例颅骨植入手术中成功应用。

 

随着先进技术的普及，3D打印颌面植入物的应用预计将加速。根据Market Research Future的数据，2024年3D打印颌面植入物市场规模估计超过20亿美元，预计到2034年底将翻倍至超过40亿美元。3D Systems表示，增材制造技术正通过提供更具成本效益和高效的解决方案，带来突破性颠覆。