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三维打印机的医学应用现状与趋势 |
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摘要：用快速成型方法制作单个病人骨骼结构的解剖模型已有近十年的历史。虽然SLA,FDM,3DP和SLS在这一历史进程中都起了重要的作用，但Z510三维打印机最终在世界范围内占据了解剖模型的市场。RP模型在医学中的应用将会不断扩展和深入，我们现在要考虑的只是如何让RP技术最好服务于这些应用领域，机器的选择，材料的选择和精度是其中最关键的几点。
引言
现代RP技术在80年代末期一出现，很多制造行业即对其表现出浓厚的兴趣。最早采用RP技术的是航空、汽车和医学工业。十多年过去了，RP的概念已经深入人心，不但在这些行业深入下去了，而且扩散到其余的各行各业。虽然医学应用仍然只占10%的RP市场，但医学又对RP的应用提出了更高的要求。历史上，RP已经运用于种植体原型、监视系统和很多其它医疗设备的原型的制作。运用生理数据的原型制作方法采用了3DP,SLA,LOM,SLS,FDM等技术。这些模型向那些想不通过开刀就可观看病人骨结构的研究人员、种植体设计师和外科医生提供了帮助。这些技术在很多专科如颅外科、神经外科、口腔外科、整形外科和头颈外科等得到应用，帮助外科医生进行手术规划，而如果没有物理模型，这是不可能实现的。
象其它的新技术一样，RP在医学中也是不断在走向成熟，不断地寻找其在产品开发周期中和外科医生手术箱中的位置。我们目前要考虑的是对每一种应用找出最合适的RP技术。
目前的应用
与航空和汽车工业不同，整个医学工业已经把Z510三维打印机看作为缩短设计周期的一种方法。国外一些著名的医疗器械公司多年来一直把RP作为产品设计周期中的一个重要部分。随着很多公司试图把RP技术的应用加以深化，新的挑战产生了。
如有一个公司想开发一种新的髋关节，计划用可消毒的材料和RP工艺直接成型能用于实际外科手术的原型，而有人想办一个制作人工骨组织和器官的工厂。
快速成型用于种植体设计已经有很长一段时间了，工程师利用CAD软件可以很快地设计一个产品，而Z510三维打印机设备的快速性允许设计师在很短的时间内多次验证并修改其设计，这样就在设计过程中节约了时间和金钱，从而以比从前快得多的速度实现“面向市场的设计”。
运用RP技术，设计师可以根据特定病人的CT或MRI数据而不是标准的解剖学几何数据来设计并制作种植体（图1），这样极大地减少了种植体设计的出错空间，并且这种适合每个病人解剖结构的种植体确实能设计一个更好的手术结果。能制作出与病人完美配合的种植体这一点可帮助外科医生大大缩短手术操作的时间。这不但让病人减少了麻醉时间，还能减少费用。
图1 从CT数据到骨骼3D数值模型
由于有了解剖模型，医生可以有效地与病人沟通，借助于病人自己的解剖模型，医生可以指出关键的区域，从而增加病人的理解。模型增加了病人对治疗的理解，这比晦涩的二维X光照片要好理解得多。模型也能让医生对病人以前的手术经历一目了然。此外，模型还能能让医生在手术之前对着模型进行手术规划（图2），准备种植体（图3）。仅时间节省一项就使得在很多复杂的手术中模型制作成为非常划算的一个环节。
图2 Z510三维打印机模型帮助手术计划
图3 应用Z510三维打印机模型设计植入体
归纳起来，目前RP模型的医学应用如图4所示。
图4 应用RP模型的原因
可见用途最多的是制作种植体，其次是改进手术计划。
当然，RP还有别的医学用途。美国新泽西州的一个医疗器械公司运用一种称为“Theriform”的变种3维打印制作药品传送系统原型，运用FDA认证材料，一些医用胶囊等产品可在这套系统中生产出来。而传统的医药制造技术很少能成功。这个应用案例说明RP可用于医药制造中。
材料和RP机器的选择
上面讨论的应用中，每一个案例都需要机器和材料的特殊搭配才能产生预期效果，某种情况可能需要半透明的硬塑料，而另一种情况可能需要软的生物兼容材料。有时需要消毒材料，有时却并不需要。表1对此做了总结。表1 RP医学应用中材料和机器的选择
 USP VI级材料是通过安全测试并能消毒的材料。目前只有少数几种RP材料符合这一要求，SLA有一种，FDM有一种，SLS有两种，3DP有6种。那些需要在手术室做实验的新产品原型需要用这种材料。
表中的另一类材料是可植入材料，目前仍然很弱。将来的5年将可看到这种材料的增长。这需要全新的机器和材料，3DP RP技术也许最有希望符合这种需求。
从医学图象得到的解剖模型有一系列的要求。有些模型最适合用半透明材料做，有的最适合用不透明材料制作以便更好的观察表面。在大多数情况下，这些模型是在手术之前使用，特定情况下需要把模型消毒用于手术时的参考。
将来的应用
RP未来的医学应用只受人们想象力的限制。随着生物材料知识的发展，快速成型产品在医学领域的临床应用将不断增长，从骨再生植入到器官置换，应用范围非常广。
目前正在研究的人工骨制作是RP技术非常有前景的一个应用领域；
目前有两种制造骨骼植入体的方法。其中一种方法是采用选择性沉积磷酸钙粉末的工艺来制作多孔的种植体。动物实验表明，这些多孔种植体在新骨生长性能方面表现了优异的性能。经过一定的时间，这些多孔种植体将变成动物骨架的一部分。这些多孔种植体在相对密度为50%时，强度要比原先降低到70Mpa.因而他们的用途局限于不承载的部分，如面部和颅骨部分。
第二种工艺是用3DP准备碳素模具，熔融的磷酸钙在1100度的熔化温度下浇注到模具中。这样得到的全密度玻璃态部件可以通过退火得到半结晶的合成物，抗压强度超过170Mpa.这些可用于承载种植体如牙齿，骨头螺钉和脊椎骨。
一些RP设备制造商的长期目标是将RP机器放到临床设备中。例如X光部门的一台3DP机器可在几个小时内向外科医生提供非常有用的物理解剖模型。这样可让外科医生在很短的时间内作出精确的手术计划。在有些时间不是很急的案例中，直接从医院的3DP设备制作原型可以降低总体费用。(end)
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(1/4/2008) |
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