3D打印技術(shù)可以為醫(yī)療領(lǐng)域帶來前所未有的變革

在骨科植入物制造領(lǐng)域。新工藝、新材料、新的設(shè)計(jì)理念不斷出現(xiàn)，有力地推動(dòng)骨科植入制造業(yè)的發(fā)展。在新工藝方面：醫(yī)用金屬3D打印的出現(xiàn)。使我們得以直接打印出可植入人體的植入物；假體多孔表面的制造及相關(guān)部位的設(shè)計(jì)將發(fā)生根本性的變化；個(gè)體化植入物的制造將以更快的速度和更經(jīng)濟(jì)的方式實(shí)現(xiàn)，更貼近臨床的需求；一些過去難以實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將成為現(xiàn)實(shí)。隨著該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，在新材料方面：PEEK（聚醚醚酮）材料以其優(yōu)良的制造性能和機(jī)械性能，對(duì)聚乙烯材料形成巨大的挑戰(zhàn)，在脊柱，創(chuàng)傷和關(guān)節(jié)領(lǐng)域全面進(jìn)入使用；可降解鎂合金的研究在發(fā)達(dá)國家和中國都取得了可喜的成果，進(jìn)入臨床試用階段。

應(yīng)該說，上述均是骨科植入物制造業(yè)中的新技術(shù)與生命周期的完美結(jié)合。值此本文從高端制造技術(shù)與生命科學(xué)完美結(jié)合的角度對(duì)醫(yī)用金屬3D打印工藝技術(shù)及PEEK生物材料在醫(yī)療骨科植入等領(lǐng)域中的應(yīng)用作研討。與此同時(shí)重點(diǎn)對(duì)其技術(shù)特征、架構(gòu)與典型醫(yī)療應(yīng)用的方案作分析說明。

在醫(yī)療領(lǐng)域，創(chuàng)新就是生命。在醫(yī)學(xué)研究和臨床實(shí)踐中，醫(yī)生面臨幾大挑戰(zhàn)：醫(yī)療器械、醫(yī)用產(chǎn)品的精準(zhǔn)度和質(zhì)量需要達(dá)到極高的標(biāo)準(zhǔn)；需要在最短的時(shí)間，做出對(duì)病人高度定制化的治療方案；因?yàn)橹踩胧结t(yī)療器械與移植用的組織器官都具有高度的復(fù)雜性，而且這些器械或組織器官需要適應(yīng)不同的患者的特殊情況，從產(chǎn)品的角度這意味著高度的個(gè)性化和定制化。

用傳統(tǒng)方法制造不僅十分困難，還會(huì)面臨成本大幅上升的困境。面對(duì)這新的挑戰(zhàn)應(yīng)用3D打印技術(shù)可以為醫(yī)療領(lǐng)域帶來前所未有的變革，即3D打印技術(shù)則非常適合應(yīng)用于這種需要少量地定制復(fù)雜物體的領(lǐng)域。也就是說借力3D打印技術(shù)，特別是噴墨式3D打印技術(shù)和激光選區(qū)熔化(selective laser melting, SLM) 技術(shù)，則醫(yī)生、研究人員和醫(yī)療設(shè)備制造商可以快速、準(zhǔn)確地為患者帶來高精度、個(gè)性化的醫(yī)療器械和治療計(jì)劃，達(dá)到高效、高質(zhì)量的治療效果，提升患者的生活質(zhì)量。傳統(tǒng)數(shù)控制造主要是“去除型”，即在原材料基礎(chǔ)上，使用切割、磨削、腐蝕、熔融等辦法，去除多余部分，得到零部件，再以拼裝、焊接等方法組合成最終產(chǎn)品，而3D打印則顛覆了這一觀念，無需原胚和模具，就能直接根據(jù)計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)，通過一層層增加材料的方法直接造出任何形狀的物體，這不僅縮短產(chǎn)品研制周期、簡化產(chǎn)品的制造程序，提高效率，而且大大降低了成本，因此被稱為“增材制造”。當(dāng)前已有醫(yī)用3D打印設(shè)備、醫(yī)用3D打印應(yīng)用及醫(yī)用3D打印材料三個(gè)開發(fā)方向。值此僅以醫(yī)用3D打印設(shè)備、醫(yī)用3D打印應(yīng)用為重點(diǎn)作分析研討。當(dāng)今醫(yī)用3D打印設(shè)備有多種類型，其典型而廣泛的有噴墨式細(xì)胞打印機(jī)與磁懸浮醫(yī)用3D打印機(jī)和醫(yī)用金屬3D打印機(jī)兩大類，在此僅對(duì)這兩大類作分析。

●噴墨式細(xì)胞打印機(jī)與磁懸浮醫(yī)用3D打印機(jī)噴墨式細(xì)胞打印機(jī)是最先應(yīng)用在醫(yī)用3D打印技術(shù)中的設(shè)備。

這種打印機(jī)使用生物墨水或生物細(xì)胞絲打印成薄片狀組織然后將薄片輸出到噴墨打印機(jī)的出口處。出口處有一個(gè)容器讓薄絲狀組織層層堆疊在一起以形成組織或器官。 磁懸浮醫(yī)用3D打印機(jī)，在細(xì)胞沉積在生物相容性支架的3D打印方法基礎(chǔ)上作了改進(jìn)，采用具有生物兼容性的磁性納米顆粒作為支架材料，將細(xì)胞打印到3D結(jié)構(gòu)上，這種方法被稱為磁性懸浮法(MLH)。這項(xiàng)技術(shù)是用一種被稱為納米穿梭的磁性納米顆粒將細(xì)胞磁化，再用空間中變化的磁場將細(xì)胞懸浮起來，通過這種方法在體外條件下復(fù)制體內(nèi)環(huán)境，經(jīng)過培養(yǎng)之后則形成想要的3D多細(xì)胞層結(jié)構(gòu)。改進(jìn)后成本更低，速度更快。

●醫(yī)用金屬3D打印先述金屬3D打印設(shè)備的理念。

金屬零件3D打印技術(shù)作為整個(gè)3D打印體系中最前沿和最有潛力的技術(shù)，是先進(jìn)制造技術(shù)的重要發(fā)展方向。按照金屬粉末的添置方式將金屬3D打印技術(shù)分為二類：其一是使用激光照射預(yù)先鋪展好的金屬粉末，即金屬零件成型完畢后將完全被粉末覆蓋。這種方法目前被設(shè)備廠家及各科研院所廣泛采用，包括直接金屬激光燒結(jié)成型(Direct Metal Laser SIntering，DMLS)、激光選區(qū)熔化型等；其二是使用激光照射噴嘴輸送的粉末流，激光與輸送粉末同時(shí)工作(Laser Engineered Net ShaDing, LENS)，該方法目前在國內(nèi)使用比較多；其三是采用電子束熔化預(yù)先鋪展好的金屬粉末(E1ectron Beam Melting, EBM)，此方法與第1類原理相似，只是采用熱源不同。上述中，其激光選區(qū)熔化(SLM)技術(shù)是金屬3D打印領(lǐng)域的重要分支，它采用精細(xì)聚焦光斑快速熔化300-500目的預(yù)置粉末材料，可以直接獲得幾乎任意形狀、具有完全冶金結(jié)合的功能零件。

致密度可達(dá)到近乎100％，尺寸精度達(dá)20-50微米，表面粗糙度達(dá)20-30微米，是一種極具發(fā)展前景的快速成型技術(shù)，也成為了國內(nèi)外快速成型領(lǐng)域的熱點(diǎn)，而且其應(yīng)用范圍已拓展到醫(yī)療及航空航天、汽車、模具等領(lǐng)域。值此僅對(duì)SLM設(shè)備基本架構(gòu)及組成說明。 SLM的基本架構(gòu)是： 由光路單元（光纖激光器、擴(kuò)束鏡相反射鏡、掃描振鏡、F-θ聚焦透鏡）、機(jī)械單元（鋪粉裝置、成型缸、粉料缸及成型密封設(shè)備）、控制單元（計(jì)算機(jī)和多塊控制卡）、工藝軟件、保護(hù)氣密封單元幾個(gè)部分組成。 SLM設(shè)備中的具體成型過程：先在計(jì)算機(jī)上利用pro/e、UG、CATIA等三維造型軟件設(shè)計(jì)出零件的三維實(shí)體模型，然后通過切片軟件對(duì)該三維模型進(jìn)行切片分層，得到各截面的輪廓數(shù)據(jù)，由輪廓數(shù)據(jù)生成填充掃描路徑，設(shè)備將按照這些填充掃描線，控制激光束選區(qū)熔化各層的金屬粉末材料，逐步堆疊成三維金屬零件。其SLM設(shè)備中的具體成型過程如圖1所示。 激光束開始掃描前，鋪粉輥（裝置）先把金屬粉末平推到成型缸的基板上，然后激光束按當(dāng)前層的填充輪廓線選區(qū)熔化基板上的粉末，加工出當(dāng)前層，然后成型缸下降一個(gè)層厚的距離，粉料缸上升一定厚度的距離，鋪粉裝置再在已加工好的當(dāng)前層上鋪好金屑粉末。設(shè)備調(diào)入下一層輪廓的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工，如此層層加工，直到整個(gè)零件加工完畢。整個(gè)加工過程在通有惰性氣體保護(hù)的加工室中進(jìn)行，以避免金屬在高溫下與其他氣體發(fā)生反應(yīng)。

再述醫(yī)用金屬3D打印

醫(yī)用的金屬打印一般用于人造骨骼，有兩種技術(shù)可供應(yīng)用，分別是電子束選區(qū)熔化(EBM)和激光選區(qū)熔化(SLM)。兩者都是將層薄金屬粉末選區(qū)加熱熔化粘結(jié)成模型的。其中EBM用高速電子束射向粉末來進(jìn)行加熱，而SLM是用激光加熱金屬粉末。 也就是說，以電子束為能量源的選擇性金屬激光熔融3D打印，則能“打”出三維的立體實(shí)物來，也就是說能直接打印出骨架件而不是模型。應(yīng)該說鈦合金、鈦鋼、鈷鉻鉬合金(CoCrMo)、鎂合金、磷酸鈣醫(yī)用無機(jī)材料、醫(yī)用有機(jī)材料（自身干細(xì)胞、軟骨組織及相似高分子化合物、可溶解塑料、降溫融化墨水）等均是常用傳統(tǒng)的醫(yī)用3D打印材料。但隨著骨科植入物制造領(lǐng)域的新工藝、新材料、新的設(shè)計(jì)理念不斷出現(xiàn)，則如今PEEK材料已成為是當(dāng)今醫(yī)療植入領(lǐng)域應(yīng)用的一顆新星。據(jù)此，將PEEK材料在醫(yī)療植入領(lǐng)域在變革醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用作重點(diǎn)研討。

PEEK（聚醚醚酮）是芳香族結(jié)晶型熱塑性高分子材料，其熔點(diǎn)為334℃，具有機(jī)械強(qiáng)度高、耐高溫、耐沖擊、阻燃、耐酸堿、耐水解、耐磨、耐疲勞、耐輻照及良好的電性能。而耐高溫、耐磨性及無毒性是醫(yī)療植入應(yīng)用的重要特征。

PEEK（聚醚醚酮）樹脂是—種具有超高性能的特種工程塑料，是目前熱塑性樹脂中耐熱等級(jí)最高，綜合性能最優(yōu)異的一類樹脂。

該P(yáng)EEK生物材料因具有耐高溫、耐磨性及無毒性，故它在醫(yī)療植入領(lǐng)域的應(yīng)用潛力巨大，是醫(yī)療植入領(lǐng)域的應(yīng)用的一顆新星。值此，應(yīng)從它的基本特征述起。 PEEK的超高性主要呈現(xiàn)了耐高溫、耐磨性及無毒性等幾個(gè)方面：其一是耐高溫性，PEEK具有較高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫段(Tg=143℃)和熔點(diǎn)(Tm=334℃)，其負(fù)載熱變形溫度高達(dá)316℃，長期使用溫度為260℃，瞬時(shí)使用溫度可達(dá)300℃；韌性和剛性，PEEK具有韌性和剛性，特別是對(duì)交變應(yīng)力下的抗疲勞性非常突出，可與合金材料相媲美，彈性模量與皮質(zhì)骨相近；其二是耐磨性，PEEK具有優(yōu)良 的滑動(dòng)特性，通過用碳纖維、石墨和PTFE改性后，其耐磨性更加優(yōu)良，適合于嚴(yán)格要求低摩擦系數(shù)和耐磨耗用途的場合；其三是無毒性，PEEK無毒，可用于食品衛(wèi)生、醫(yī)療器械等領(lǐng)域。除上述之外，還具有耐疲勞性及韌性和剛性。

目前，基于與醫(yī)療相關(guān)的優(yōu)異性能，PEEK已廣泛應(yīng)用于創(chuàng)傷、脊柱及關(guān)節(jié)外科內(nèi)植人物等領(lǐng)域。以下列舉了 一些典型應(yīng)用。 椎間融合器 隨著頸椎手術(shù)內(nèi)固定系統(tǒng)種類的不斷更新及技術(shù)的不斷進(jìn)步，椎間減壓植骨融合內(nèi)固定術(shù)已成為趨于成熟的手術(shù)方式，它能提供即刻頸椎穩(wěn)定，牢固固定植骨塊，促進(jìn)植骨融合，并可達(dá)到更徹底的手術(shù)減壓，減少再次手術(shù)，使患者術(shù)后早期活動(dòng)，縮短住院時(shí)間。 近些年來，PEEK材料的椎間融合器已開始廣泛應(yīng)用于頸椎前路手術(shù)。由于其多為解剖型，表面有棘狀突起及細(xì)鋼針，即時(shí)穩(wěn)定性較良好，可減少植骨移位的發(fā)生率，同時(shí)增大了接觸面積，使應(yīng)力有所分散，從而降低其沉降率。

此外，其操作方式簡單，椎間融合率高，彈性模量更 接近于椎體，使其更能維持椎間隙高度與頸椎生理彎曲度，較少引起相鄰椎節(jié)的退變。在錐間融合器的應(yīng)用中，PEEK能夠兼容X光拍照和磁共振成像，并且彈性模量值較低：而鈦金屬易于產(chǎn)生偽影，并因彈性模量高帶來較高的塌陷風(fēng)險(xiǎn)。因此，在該應(yīng)用中PEEK比鈦金屬更具優(yōu)勢。此外，PEEK可避免自體移植物的并發(fā)癥以及同種異體移植物的缺陷。 髓內(nèi)釘是一類典型的骨科植入器械 這類產(chǎn)品對(duì)生物相容性和耐摩擦磨損性能的高要求促進(jìn)了新型骨科植入材料的開發(fā)和研制。如今已有多種骨科植入材料尤其是碳纖維增強(qiáng)聚醚酮復(fù)合材料(CF/PEEK)在植入器械領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。典型的應(yīng)用有腰椎經(jīng)椎弓根螺釘動(dòng)態(tài)固定系統(tǒng)在完成椎管減壓后，植入椎弓根螺釘，在保持一定張力的情況下，將PEEK彈性棒固定于椎弓根釘。張力和壓力的大小通常決定了彈性棒的長度。該裝置的設(shè)計(jì)目的是卸載退變椎間盤和突關(guān)節(jié)的壓力負(fù)荷，同時(shí)保留正常的活動(dòng)度。另外可降低椎弓根螺釘與骨界面的應(yīng)力，進(jìn)而降低螺釘拔出及斷釘風(fēng)險(xiǎn)。還有—個(gè)優(yōu)點(diǎn)是有利于術(shù)后的放射學(xué)評(píng)估。

圖2 PEEK在腰椎經(jīng)椎弓根螺釘動(dòng)態(tài)固定系統(tǒng)中的應(yīng)用示意圖

磁性元件與電源除此之外，還有在人造骨關(guān)節(jié)、工椎間盤及人工髓核、關(guān)節(jié)鏡縫合錨釘?shù)全@得應(yīng)用。PEEK在脊柱手術(shù)，外傷和骨科類醫(yī)療產(chǎn)品的臨床應(yīng)用越來越廣泛。與鈦、鈷鉻合金等典型的醫(yī)用植人材料相比，其優(yōu)勢就在于：較低的彈性模量，可防止應(yīng)力遮蔽效應(yīng)，使周邊骨頭保持強(qiáng)度?？赏高^X射線，在CT和MRI掃描時(shí)不可見，因而可較容易地評(píng)估骨頭生長和治愈過程，在某些情況下需要看到植入體時(shí)，也可以通過樹脂改性來實(shí)現(xiàn)。優(yōu)異的消毒性能，即使長期暴露在熱蒸汽，環(huán)氧乙烷和Y射線下，仍能保持其原有性質(zhì)不改變。以前外科醫(yī)生做手術(shù)前的參考只有CT掃描圖紙，不能以實(shí)體的方式了解手術(shù)的位置，導(dǎo)致手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)增大，醫(yī)生要進(jìn)行大量討論和計(jì)算才能實(shí)施手術(shù)，而如果能將病患處的CT模型直接打印出來則更方便醫(yī)生參考并制定手術(shù)方案。 典型例舉：腦瘤顱內(nèi)模型使用3D打印技術(shù)精準(zhǔn)切除一顆復(fù)雜顱內(nèi)腫瘤（國內(nèi)湖南長沙湘雅醫(yī)院）。一患者確診為鞍結(jié)節(jié)腦膜瘤，病情危急。而患者的腫瘤位置深，周邊都是重要的神經(jīng)組織，給手術(shù)增加難度。湘雅醫(yī)院專家團(tuán)隊(duì)通過自主研發(fā)的E-3D數(shù)字化醫(yī)療三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)，將患者的癥狀掃描獲得詳細(xì)的數(shù)據(jù)信息，轉(zhuǎn)化為三維模型，結(jié)合3D打印技術(shù)，將患者顱底腫瘤及周圍的組織精準(zhǔn)的打印出來。通過這個(gè)模型，醫(yī)生掌握了腦瘤的位置、周圍的血 管神經(jīng)分布并獲得了精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，幫助醫(yī)生順利準(zhǔn)備手術(shù)。 4/3!????? 外骨骼衣服 可設(shè)計(jì)一套外骨骼衣服，通過打印零件和電動(dòng)零件的組合，可以讓癱瘓病人站起來行走。通過3D打印，這套外骨髂衣服完美地貼合病人的腿部和背部，讓她像普通人一樣行走。 骨骼固定支架（見圖3所示）

通過3D打印技術(shù)制造出了一款專門用于治療骨折的工具，以取代傳統(tǒng)笨重的石膏。骨骼固定架由聚酰胺構(gòu)成，具有輕質(zhì)、透氣、可清洗的特點(diǎn)。病人首先經(jīng)過X—射線和三維掃描確定斷裂的確切位置和骨折的肢體尺寸，然后將數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，生成的量適合患者梯形的最佳支持。 牙科整形器械 包括手術(shù)導(dǎo)板、牙冠牙橋、舌側(cè)正畸托槽等。由于口腔內(nèi)部結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，用傳統(tǒng)方式加工難度較大，且其尺度大小也適宜使用3D打印技術(shù)，己被廣泛應(yīng)用于牙科整形，是用3D打印技術(shù)應(yīng)用發(fā)展最快的領(lǐng)域之一。醫(yī)用3D打印除上述在骨科植入中的應(yīng)用外，還在移植用器官與組織器官中的獲得應(yīng)用。骨骼共有三種利用3D打印技術(shù)修復(fù)骨骼的技術(shù)，分別是鈦骨骼替換、干細(xì)胞修復(fù)和磷酸鈣骨骼支架。鈦骨骼替換是用鈦金屬粉末打印出多孔的骨骼形狀然后直接替換原有的病變骨骼，釷金屬具有良好的生物相容性，但它不會(huì)降解；磷酸鈣骨骼支架可以讓骨細(xì)胞在其中正常發(fā)育并形成真正的骨骼，隨后這種材料可以在體內(nèi)自然溶解；干細(xì)胞修復(fù)是將自體干細(xì)胞打印到病變的骨骼，從而使其恢復(fù)。

僅此以多功能的3D打印心臟薄膜為例作說明 多功能的3D打印心臟薄膜（見圖4所示）現(xiàn)已研發(fā)成打印出一種硅膠類的柔性材料作為心臟薄膜。其打印的這種薄膜是根據(jù)每個(gè)病人心臟不同的外形量身打造的，能夠完整完美包裹目標(biāo)心臟。當(dāng)這個(gè)依據(jù)心臟形狀建好的薄膜打印好后，他們?cè)俅蛴∫恍?a target="_blank">芯片在薄膜里，比如一些能夠測PH值、壓力、變形，甚至能產(chǎn)生脈沖等等的各種芯片，這些芯片隨著這層薄膜再被置入到人體內(nèi)。這樣就可以實(shí)時(shí)監(jiān)測人體內(nèi)部的一些情況，幫助醫(yī)生診斷心臟的健康情況，盡早預(yù)防或治療可能發(fā)生的問題和疾病。 5!??? 由上可見，個(gè)體化定制型植入物的需求在骨科各個(gè)領(lǐng)域頻頻出現(xiàn)，針對(duì)這種需求的快速響應(yīng)數(shù)字制造系統(tǒng)將取得重要的發(fā)展。云技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用將為未來個(gè)體化植入物的制造提供有力的技術(shù)支撐。

僅近幾年，醫(yī)用3D打印技術(shù)已經(jīng)在打印設(shè)備、打印材料和打印應(yīng)用等方面有了多元化發(fā)展與新的進(jìn)歩，已深入滲透到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的方方面面，以及產(chǎn)生了大量的有待臨床驗(yàn)證治療方法，這將為醫(yī)療領(lǐng)域帶來跨越式發(fā)展，并由此促使醫(yī)療審核制度發(fā)生變化，創(chuàng)造出更為直接、周期更短的醫(yī)療審核技術(shù)。