您现在的位置:首页 >> 特别策划 >> 探秘 >> 内容

3D打印,医疗界的“新武器”

时间:2016-8-16 15:40:34 点击:

 如今在新闻中,我们几乎每天都能看到3D打印技术在医疗领域的发展。例如,中国一家医院为一位在工作中受伤的男性完成3D打印肘关节移植;威尔士外科医生使用3D打印机修复了一位患者的面部骨骼;美国一家医院利用3D打印技术制造支架,撑开婴儿堵塞的呼吸道……随着3D打印技术的加速发展,其在医疗领域的应用越来越多,越来越成熟。那么,3D打印与医疗究竟会擦出什么样的火花?会为患者带来什么福音呢?

3D打印到底是什么

    由成龙主演的《十二生肖》,向人们真实地展现了3D打印的神奇应用。看了电影的人,想必对这个场景印象非常深刻:那就是盗宝人JC(成龙饰演)戴了一个手套,手套上有很多传感器,把兽首摸一遍后,另一头的盗宝团队成员就立即打出一个一模一样的兽首模型来。这个能瞬间打印出十二生肖的机器,就是 3D打印机。

    其实,3D打印技术与3D电影一样,早在上世纪90年代中期就有,以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可黏合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术。早期常用在模具制造、工业设计等领域,现逐渐用于一些产品的直接制造,特别是一些特殊物品(比如人体的髋关节或牙齿,或钟表与飞机零部件等)。

    具体说来,3D打印过程分为两步,在需要成型的区域喷洒一层特殊胶水,胶水液滴本身很小,且不易扩散;然后是喷洒一层均匀的粉末,粉末遇到胶水会迅速固化黏结,而没有胶水的区域仍保持松散状态。这样在一层胶水一层粉末的交替重叠的作用下,实体模型将会被“打印”成型。就像盖房子一样,砖块是一层一层的,但累积起来后,就成一个立体的房子了。

    3D打印耗材由传统的墨水、纸张转变为胶水、粉末,当然胶水和粉末都是经过处理的特殊材料,不仅对固化反应速度有要求,对于模型强度以及“打印”分辨率都有直接影响。3D打印技术能够实600DPIDPI是指每英寸所打印的点数)分辨率,每层厚度只有0.01毫米,即使模型表面有文字或图片也能够清晰打印。而且可以利用有色胶水实现彩色打印。

    3D打印技术的魅力在于它无需机械加工或任何模具,不需要在工厂操作,桌面打印机可以打印出你需要的小物品,假设一个茶杯,在打印完成后,可以马上用来盛水。放在办公室一角使用的称为桌面机。而自行车车架、汽车方向盘甚至飞机零件等大件物品,则需要用工业打印机来完成。同时,3D打印还能够打印出一些传统生产技术无法制造出的外型,简化整个生产流程,具有快速有效的特点。

    目前,3D打印已经广泛用于传统制造业、医疗行业、文物保护行业、建筑设计行业和配件饰品行业。人们已经用 3D 打印技术打印出了很多东西,比如心脏瓣膜、下颚骨、电路板、汽车、房子、自动步枪,甚至还有鞋子、内衣或生肉。


3D打印与医疗行业天然匹配

    近年来,随着3D打印技术的发展和精准化,以及个性化医疗需求的增长,3D打印技术与医疗行业的结合,在广度和深度方面都得到了显著发展。在应用的广度方面,从最初的医疗模型快速制造,逐渐发展到3D打印直接制造助听器外壳、植入物、复杂手术器械和3D打印药品。在深度方面,由3D打印没有生命的医疗器械向打印具有生物活性的人工组织、器官的方向发展。那么,3D打印为何能在医疗领域大放异彩呢?

    首先,很多疾病和伤痛都源于生物力学问题,比如骨折、关节老化以及脊椎错位变形等。过去这类问题很难治愈,原因在于每个人的生理构造都独一无二,标准统一的外部装置无法解决每个人的问题。3D打印出来的产品则完美解决了这个问题,它完全符合每个人的身体构造,此外它还大大降低了定制化的成本,让大规模定制化这一看似矛盾的概念成为可能。比如,20149 月,北京大学的研究团队成功地为一名 12 岁男孩植入 3D 打印脊椎,这属全球首例。这位小男孩的脊椎在一次足球比赛受伤之后长出了一颗恶性肿瘤,医生不得不选择移除掉肿瘤所在的脊椎。这次,医生并未采用传统的脊椎移植手术,而是用3D 打印打出了一块钛合金骨骼。这种植入的3D脊椎可以跟现有骨骼非常好地结合起来,而且还能缩短患者的康复时间。此外,研究人员还在植入的3D脊椎上面设立了微孔洞,它能帮助骨骼在合金之间生长,换言之,植入进去的3D打印脊椎将跟原脊柱牢牢地生长在一起,这也意味着未来不会发生松动的情况。

    其次,一些结构灵活、半固定或可被人体吸收的人工构造,比如关键器官的瓣膜、血管等,难以通过传统的方法制造出来。而3D打印技术则可以解决这个问题。比如,20152月,复旦大学附属中山医院心外科课题组,采集了一位77岁高龄的主动脉瓣重度狭窄合并关闭不全患者的高分辨率CT及心超影像,借助3D打印处理软件,为其打印出完整的心脏及主动脉3D模型,仅耗时1小时就为患者顺利完成了经导管主动脉瓣置换手术。患者X线暴露时间比既往缩短一半,造影剂用量减少1/3,术中、术后生命体征非常平稳,复查显示人工瓣膜定位准确、工作正常。


    最后,3D打印绕开了复杂的基础设施和物流问题,只要将设计好的图样发送到打印终端,3D打印机就能在离医院较近的距离内进行生产。比如,2014年第二军医大学暑期医疗服务博士团深入湘江战役发生地广西兴安县送医送药、开展健康宣教,适逢一患者因车祸导致右髋臼严重骨折。如果用常规手术治疗这种骨折,时间长、出血量多、复位固定失败率高、极易造成术后并发症。博士团成员、骨科博士杨鹏决定将3D打印术引入治疗:对患者骨折部位进行三维重塑,并打印好11的骨折模型,连夜运送到兴安县医院。随后设计手术方案,并在3D骨盆上做了手术预演。术后影像学检测表明:患者骨折复位状况良好,内固定坚实。

 

医学领域103D打印革新案例

    3D打印现在已经被用在打印药品、医疗设备,还有针对患者的解剖学模型以及生物组织等多个方向。医学专家们也都陆续开始将这门高效且极具个性化的新科技应用于医学实践当中,以提高医疗服务的水平。在此,我们列出103D打印医学革新的案例,用以展现当今医学领域3D打印水平。

    1.骨骼模型

    过去,医学专家们都是通过制作平面解剖图和扫描图来诊断患者的健康状况。如今,通过3D打印,专家们能够通过分析患者独特的MRICT扫描图来打印骨骼的三维模型。而在整形外科中,医生可以通过打印复杂的三维骨骼模型来进行术前实践,同时也可以利用该模型让患者对手术有更为清晰的认识。

    2.肾脏模型

    美国杜兰大学泌尿外科的一个医学研究小组曾经在一个高难度的肿瘤切除手术中,利用3D打印技术制作出高精度的肾脏模型。这些模型以树脂作为材料,清晰地展示出肿瘤的生长位置。其用途主要是让患者清晰地了解到自己的病症,以便于双方能够更好地合作来完成手术。

    3.未出生的婴儿

    虽然这并不是严格意义上的医学应用,但3D打印确实可以从很大程度上帮助未来的父母亲们,让他们能够在婴儿出世前更清晰地看到婴儿的各项特征。通过超声波扫描获得婴儿的特征数据模型,然后将其转换为3D打印格式模型文件,打印出婴儿的精细模型,让父母能够提早看到自己的孩子。

    4.药片

    首个通过FDA(美国食品药品监督管理局)检测的3D打印药片叫做Spritam,在20165月正式上市。这种药片是由位于美国宾夕法尼亚州兰霍恩的Aprecia Pharmaceuticals公司使用改进型3D打印技术开发的,设计目的是制造速溶型产品。药片由药物粉末结合水溶性黏合剂制成,在该公司的测试中在仅仅4秒多的时间内就完全溶解。这种Levetiracetem(左乙拉西坦)是一种口服药物,可作为各种癫痫疾病的儿童和成人处方治疗的一部分。未来还将会有更多的药片通过3D打印技术进行研发制造。而且医药学研究者还会通过分析各种患者的病征,并利用算法和软件来开发新的药物成分,针对体重、性别、肝功能以及其他各项指标来3D打印特效药物。

    5.牙科

    在牙科植入手术当中,医生通常需要针对牙钻的具体位置做出准确的判断。现在,FDA批准的一种新型的牙科部件,叫做Dental SG,能够让牙科医生在植入手术中针对牙钻的位置作出最精准的决策。这款新部件是利用挠性树脂,通过3D打印技术制作,能够完美地嵌合于患者的牙齿3D打印模型之上。这种方法不仅提高了手术精准度和效率,而且加快了患者的恢复期,可谓两全其美。

    6.自动缝合设备

Suture是一款正在实验当中的新型手持式自动缝合设备。由英国皇家波普顿医院的专家AlexBerry与他的同事们共同设计,这款设备配备了3D打印的树脂部件,能够被用于多种需要医学缝合技术的场合。

    7.假肢

    对于机器人领域来说,3D打印的假肢是一个非常激动人心的发展方向。OpenBionics公司最初创造了开源的3D打印假肢,而且在众多公益医疗项目中投入应用。另一个组织你或许也听过,叫做e-Nabling the Future,他们允许3D打印机的使用者们能够下载开源的3D打印假肢模型,并打印出各个部件用来帮助残疾人士。

    8.肿瘤模型

    如今,3D生物打印已成为整个3D打印产业当中发展最快的领域之一,很多机构曾预测其市场将在2024年突破60亿美元。现在,来自爱丁堡的赫瑞瓦特大学一个研究小组正通过3D打印来制作具有生物活性的脑补肿瘤。该团队将使用患者肿瘤中的干细胞为材料来进行打印,以此来持续研究肿瘤的生长过程。他们希望利用3D打印的肿瘤来测试各种新型药物疗效,以便研究出新的肿瘤治疗方法。

    9.甲状腺

    Vladimir Mironov博士来自于一家刚刚起步的3D生物打印公司,他之前顺利通过3D打印技术制作出了具有生物活性的甲状腺并成功植入了小鼠的体内。这项研究成果为生物器官3D打印领域的开辟了一条新的道路,这之前仅仅在科幻小说中提到过。

    10.耳植入

    最近,由普林斯顿大学和约翰霍普金斯大学的研究团队成功3D打印出了具有“超能力”的人耳,这只耳朵可以“听”到超越人类听力范围的无线频率。这项技术是通过将掺有牛细胞的凝胶状液体以及微小的银粒送入打印机,打印机经过特殊程序设计,将这些材料塑造为仿生耳朵,并将银粒做成螺旋状天线的形状。这只人造耳具备了人耳所拥有的软骨结构,而安置在耳朵内部的旋转天线则可以组成耳蜗螺旋。这样,它就帮助听觉神经末梢有问题的患者重新恢复或提高听力能力。

    以上10大案例仅仅是快速发展的医学3D打印中的冰山一角,还有更多令人惊讶的3D打印医学应用正在处于低调的研究阶段。无论如何,3D打印技术在医疗领域的初步应用,已经颠覆了人们对现有医疗的认知,众多发达国家都投入了足够的人力及资金,以期将此作为人类健康的全球战略。

编后语:

    医疗其实是综合学科,是跨学科的,需要众多的跨界的交叉的研究,交叉的临床实验,才能做出一个完整的、创新的东西。来自各种学科的数据需要融合,需要合作。3D打印技术目前来说也有它的局限性,比如说人们无法对复杂的脏器进行全面的认知,需要大量的时间去做。但无论如何这都是可以预期的,今天的行动,会决定它和我们未来的命运。

作者:家庭医药杂志社 来源:家庭医药杂志社
共有评论 0相关评论
发表我的评论
  • 大名:
  • 内容:
  • 家庭医药杂志社(www.jtyy.com) © 2001-2018 版权所有 All Rights Reserved.
  • 桂ICP备05001537号

    桂公网安备45010302000641号

    地址:广西南宁市古城路31号 电话:0771-2618115 Email:webmaster@jtyy.com

    中国互联网违法和不良信息举报中心
    广西网警虚拟岗亭
    广西网警ICP备案