3D列印-醫療的福音

作者:Lux   |   2015 / 07 / 15

文章來源:股感知識庫   |   圖片來源:Beryl


2014年美國佛羅里達大學(UCF)的博士生Albert Manero帶領他的團隊,僅花費了350美元為小男孩Alex Pring製造了一條3D列印手臂,幫助小男孩能再次擁抱這個世界。像Alex這樣的孩子並不占少數,他們因為某些原因造成了身體的殘缺,但義肢安裝帶來的高昂費用(上述例子中約需4萬美元)又讓許多家庭望而卻步。如今,3D列印技術正在顛覆這一現狀,為更多需要幫助的人帶來了希望…

3D列印技術

生活中,人們所熟知的列印是採用電腦或其他電子設備中的文字或圖片等可見資料,通過列印機輸出在紙張等記錄物上,所需材料是墨水(碳粉)和紙張。而3D列印是一種以數位模型檔為基礎,運用粉末狀金屬或塑膠等可粘合材料,通過逐層列印的方式來任意建構三維實體的技術,屬於快速成型技術的一種。3D列印由三維設計、切片處理和完成列印三個步驟所組成:

3D列印技術

  1. 三維列印先通過電腦建模軟體建模,再將建成的三維模型“切割”成逐層的截面(切片),從而指導列印機逐層列印。
  2. 切片處理的過程是列印機通過讀取檔中的橫截面資訊,用液體狀、粉狀或片狀的材料將這些截面逐層地列印出來,再將各層截面以各種方式粘合起來形成實體。
  3. 完成列印部分主要是針對切片處理後的物體進行調整。3D列印同2D列印一樣有解析度的制約,解析度較低的3D列印機列印出的彎曲物品,其表面也相對粗糙,但經過表面的打磨也可獲得表面光滑的高解析度物品。

3D列印VS傳統技術

近年來,3D列印在醫學領域的應用正變得越來越普遍,其相對於傳統製造的優勢在於:

  1. 價格便宜:無臂男孩Alex的母親曾表示她們根本承擔不起一條義肢4萬美元的昂貴費用,對於成長中的孩子安裝義肢還需要不斷的調整,費用更是驚人,一度產生放棄的念頭- 而Manero和他的團隊為男孩打造的手臂僅僅花了350美元!對於傳統工藝而言,物體形狀越複雜,製造成本越高。而3D列印則徹底顛覆這個概念,製造複雜物品而不增加額外成本,打破傳統的定價模式,讓更多的人可以負擔得起。
  2. 資源便利: 3D列印巨頭Stratasys表示,以骨科、牙科、內科、神經外科等應用經驗顯示,3D列印技術能按照患者的自身特點列印出最符合需求的下頜、人工關節、種植牙、頭蓋骨、義肢、心臟等,比起現行醫療器材所能提供的選擇有限,以及等待提供者提供資源的傳統技術來說,明顯更加便利。
  3. 成功率高:3D列印與傳統的機械加工技術不同,相對於後者的減材工藝,3D列印技術則常常被用於模型和產品的直接製造,是一種加材工藝。傳統製造業將不同材料結合成單一產品是件比較困難的事情,因為無論切割或模具成型過程中都不能輕易的將多種材料融合在一起,而3D列印機卻能夠做到精准高效的融合,成功率相對更高。

3D列印VS傳統技術

備受矚目的3D列印技術不僅超越了傳統技術的局限,在醫療領域也帶來眾多應用技術上的新突破。

3D列印遇上醫療

英國利物浦大學組織工程中心主任約翰·亨特(John Hunt):"3D列印機終將有一天可以列印出人體全部的器官。"

2012年11月,蘇格蘭科學家利用人體細胞首次以3D列印機列印出人造肝臟組織。至今僅經歷短短數年,3D列印從最早的展示、教學拓展到工業模具的製造,乃至零件的直接產出,再到如今的航空航太、醫療領域的應用。3D列印發展之快速,也難怪其被譽為將引領第三次工業革命,在醫療領域尤其是修復性醫學領域所獲得的成就更為突出:

3D列印牙齒
美國密歇根州安港的APEX牙科銑削中心是較早採用 CAD/CAM 技術從 CAD 設計圖形直接生產牙科部件的用戶之一。公司並未將生產外包給採用傳統數控銑床技術的供應商,而是轉向內部的3D 列印實驗室。在 Objet 3D 列印機上生產的列印模型不僅具有格外細緻的細節和出色的表面光潔度,還完全滿足一切所需的高精確度,可完美咬合在物理模型上。

3D列印骨骼
瑞士科學家克裡斯琴·溫蘭特首次實現採用3D骨骼列印機精確複製人類拇指骨骼。他在實驗室老鼠背部成功地培育出自己身體上的替代骨骼,並稱依據這種醫學理論,可以培育出任何類型的骨骼。這與1997年美國麻塞諸塞州總醫院傑伊·瓦坎蒂(Jay Vacanti)從人類軟骨細胞中培育出人類耳朵的方法是一樣的。目前已有不少關於3D列印的假體植入的臨床成功案例,3D列印技術在骨科方面的應用愈演愈烈。

例如Walter Reed Army Medical Center就曾製造並成功移植了超過60例鈦顱骨板。2011年6月,史上第一例3D頜骨(材質同樣為鈦)被成功移植給了一位83歲的女士,主刀醫生為Hasselt大學的Jules Poukens。美國內華達大學的教授們甚至通過3D列印技術進行人體骨骼再造,提出了“虛擬人體”的概念—Anatimage的虛擬解剖台,它集成了軟體和硬體打造的完美虛擬人體複製品,是個一體化的交互展示系統。

據英國《每日電訊報》報導內華達大學的專家們在與美國軍隊的一次對話中提到:將通過3D掃描技術為每個士兵打造一個“虛擬雙胞胎”,這樣當技術允許的時候,就可以為戰場上受傷的士兵提供更好的醫療服務。至今,3D列印技術在骨骼上的應用已為無數病人帶來希望。

3D列印心臟
紐約長老會醫院的埃米爾·巴查博士(Dr.Emile Bacha)曾用3D列印的心臟救活一名患有先天性心臟缺陷的2周大嬰兒。在3D技術的支援下,巴查醫生可以在手術前列印出心臟模型進行檢查和演練,在充分的準備後大幅度提高了手術成功率,讓這個臨近死亡邊緣的嬰兒能夠生存下來。

總體而言,3D列印為醫療領域帶來了革命性的新技術,其大致可歸納為兩個方向:

  1. 列印器官,通過3D模型用特殊的“生物墨汁”列印活體細胞,在體外培育仿生器官及活體組織,再植入人體內,帶來了革命性的改變。(上述牙齒、骨骼案例)
  2. 立體成像,通過患者病變部位掃描成像,利用3D列印機將二維圖像列印成3D模型,根據模型反映的情況做模擬操作,量身定制手術方案,提高手術成功率。(上述心臟案例)

3D列印的未來

歐美國家認為3D列印技術代表著製造業發展的新趨勢、醫療產業的新革命,美國《時代週刊》將3D列印產業列為“美國十大增長最快的工業”,英國《經濟學人》更認為它將與其他數位化生產模式一起推動實現新的工業革命。而3D列印技術在醫療產業所帶來的全新應用,也為廣大患者帶來真正的福音。讓我們期待科學家們將3D列印技術發揚光大,在創造更便利優質生活的同時,也能幫助折翼天使重返藍天、再次飛翔!

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