开疆拓土3D打印,闯进医学新领域

文章作者:Lily | 2016-05-17
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 "3D打印"近几年这项新技术非常火热,小到模型玩具,大到汽车、飞机零件,好像只要提供足够的材料,几乎所有的东西都能被“打印”出来。其实,3D打印技术也是当前医学界密切注视的新科技,除了可用于打印治疗工具外,“打印人体”也早已不再是科幻电影中的桥段。其中,打印骨骼既是目前该技术在医学界应用的起点,也是发展最快的应用。究竟3D打印技术将如何改变当前医疗的基本规则与观念?其中是否暗存着隐忧? 3D打印的治疗费用,病患者又是否负担得起呢?

3D打印的基础

在香港威尔斯亲王医院的骨科门诊部,每天病人熙来攘往,但他们可能从未注意到门诊部旁边的矫形外科及创伤学进修培训中心,那里有一个小小的“3D打印工场”。2013年,香港中文大学矫形外科及创伤学系斥资85万元人民币,从美国购入了一部3D打印仪器并安置于此。此后,骨科医生便陆陆续续开始研究和利用3D打印来协助医治,“印骨”的工作排期表也开始越来越长。

香港中文大学矫形外科及创伤学系讲座教授梁国穗说,其实早在20世纪80年代,他便在香港生产力促进局参观过一些工业用的3D打印仪器。只不过在当时,这项技术还被称为“快速成型”,主要用途也只是制作手机或设计珠宝。

如今的3D打印仍是一项非常年轻的科技,在医学领域更是如此。目前,这个数码年代的产物在医学上的应用主要分为两类:“打印”人体部分和“打印”手术工具。我们不妨先来谈谈前者。医疗用途有别于产品设计,而人体结构又相当精密,所以必须先要有人体扫描“数据”方能实现“打印”——换言之,先有3D扫描才有3D打印。

因此,电脑扫描技术的发展成了目前3D打印应用于医疗领域的基础,并拓宽了相关用途,这也很自然地让打印骨骼成为了技术起点。梁国穗解释道:“骨骼结构很适合做电脑扫描,因为它含有大量钙质,这能让扫描出来的影像格外清晰。”

帮助完成手术

作为3D打印在医学领域的敲门砖,打印骨骼模型的主要应用在为复杂的手术作尽可能详实的计划准备。

以切除骨癌手术为例,常见手术部位是大腿骨末端(近膝关节)。由于牵涉关节,手术后需要重建,因此位置必须相当准确。而3D断骨模型则可帮助医生仔细分析患者情况,精确定位手术的切口位置,甚至包括骨折复位、确定切骨范围,以及如何固定或重建断骨等。

若病患还需使用螺丝或钢板来固定骨骼,医生还可利用断骨模型预习手术,测试打入螺丝的位置与角度,度身订制钢板,比如预先塑造贴合骨骼的弧度等。如此,手术进行时便可精准、贴合地放入预定位置。

香港中文大学矫形外科及创伤学系曾用3D骨骼模型为8位病人做过术前预备,其中不乏多个相当严重的骨折个案,以及手肘、盆骨、腿部和足踝部位的手术。以往医生在看过病人的电脑图像后,通常只能凭经验和想像预估手术的方法与过程,但最终是否切实可行,还是要在手术中才能知道,也就是行内所说的“open and see”。而3D扫描和打印技术的出现,帮助医生高效准确地完成了术前计划和准备,大大缩短了手术时间,提高了成功率。梁国穗指出,他们在治疗那8位病人时,手术时间平均缩短了1小时左右,有利于术后康复。

实现个人化医疗

除了打印人体模型外,3D打印在医学上的另一个应用便是打印手术工具。

例如医生把钢钉打入骨骼前,需要在骨骼外加置一个“瞄准器”,以协助他们将钢钉以特定角度打入骨内。制作类似“瞄准器”这种专为某个特定病人实施手术而设计的,只用一次的“小工具”,在3D打印的辅助下,将会变得更容易。目前,印制一个“瞄准器”的物料成本只需100多元人民币。

实现个人化定制是当前先进医学领域的主要目标之一。以更换人工关节手术为例,现时的人工关节各种尺寸都是生产商确定的,病人像买鞋那样,需要寻找最适合自己的尺码。不过,鞋子的尺码与脚只要大致匹配即可,替换的人工关节却是越契合越好,因此尽快实现“私人订制”非常有必要。原文地址:http://www.ufo-1.cn/article/201605/1052.html

当然,由于受到打印的“墨水”——物料的限制,要为每位病人度身设计人工关节,在现阶段还非常困难。

“墨水”的选择

当前,可以直接植入人体的生物相融物料大都是金属,例如制造人工关节的钴铬合金就是一种高强度的金属物料。即使病人持续步行,人工关节的耐用度仍可达10~15年。

虽然目前已有一些3D打印技术的研究人员,尝试以镭射打印技术,让金属可以作为“墨水”,但专业人士指出,现阶段的打印制成品刚性(即硬度)不足,仍需进一步研究才可以作为植入人体的假体。

至于打印手术辅助工具,目前主要使用的“墨水”仍是一些特殊塑料。而对它们的消毒工作,则是医学家的最大忧虑。例如前文提及的“瞄准器”,在手术时会直接接触病人的皮肉,若它含有某些毒素,便会非常危险。

为了解决消毒问题,目前医生主要会选用两类耐热度较高的生物相融塑料作为打印物料:PC-ISO(热变形温度为133℃)及ABSM30i(热变形温度为96℃)。树脂曾经也是备选项之一,但由于其耐热度相对较低,未必能够承受低温消毒程序(约70℃),因此被排除在外。

减轻医疗负担

以长远发展眼光来看,我们的确可以实现为每一宗手术都印制独立辅助工具的梦想。而以往由生产商大规模生产医疗器械的运作模式,或将面临重大转变。梁国穗相信,以3D打印制造“个性化手术工具”绝对是未来发展的大方向,而且他预估至少可以减少80%由大型生产商制造的相关产品,由此节省成本,减少患者医疗负担。

相信这对于所有病患来说,都是一大福音。而行业生产商虽然会因日趋成熟的3D打印技术受到冲击,但他们也可以减少研发成本。这对于所有人来说都不是一个坏消息。

多领域的成功先例

有关3D打印的医学应用,科学界的确有过不少想象,除了打印“硬件”——骨骼以外,还有别的可能性吗?例如人体的软组织,如肌肉、韧带、神经线、血管甚至气管,是否都可以“打印”出来?

2015年,美国北卡罗来纳州Wake Forest再生医学研究所,便成功地以活细胞作为“墨水”打印出肾脏,并移植至7名病人身上。他们打印了一个可生物降解的肾脏形状支架,然后涂上从患者肾脏取出的活细胞,并在实验室内以人体温度进行培植,大约6~8周后便可供移植。

美国另一家研发活细胞3D打印的公司Organovo,则尝试结合干细胞技术,将多个活细胞制成直径只有500微米的水滴,打印血管支架。而其里层与外层则打印凝胶以作支撑,6小时后待支架稳定,便把凝胶清除。最后把管状实体及活细胞放在特制的培养箱数周,3D打印血管便会成形。

香港大学医学院与工程学院合作进行的3D打印研发项目,选择的突破点也着眼于活细胞打印,他们希望可以直接打印出能够置入人体的软组织,并应用于骨骼、关节、韧带和神经等的修复治疗。研究人员正在设计的一款以活细胞为“墨水”的3D打印机,造价可能高达600万元人民币。

2015年10月,世界首创的3D生物血管打印机在中国问世。这款打印机可在短短2分钟内能打印出10厘米长的血管,甚至包括血管中的中空结构和多层不同种类的细胞。

第三次工业革命?

几年前,《经济学人》曾以“第三次工业革命”盛赞了3D打印这项新兴技术,将3D打印提到了一个前所未有的高度,但许多专业人士对这个说法嗤之以鼻。

在郭台铭看来,3D打印制造的手机根本就只能看不能用,因为在这些制成品上不能加电子元器件,无法为电子产品量产。即使不说电子产品,受到材料的限制,3D打印可以生产的其他产品也很少。

如今,3D打印的确更适合一些小规模制造,尤其是高端的定制化生产,似乎医疗领域恰恰就是这样的一个绝佳天地。仅在去年一年间,3D打印的肝脏模型、头盖骨、心脏和胸腔等便纷纷问世。从当前的情况来看,虽然3D打印技术还无法应用于规模化生产,但只要突破了材料的限制,未来该技术的应用范围将会越来越广,在医疗领域,它将给我们更多期待。

问,3D打印骨骼总共分几步?

所谓“3D打印”,就是将3D图档分层为多个2D平面图,3D打印机通过分层加工、叠加成形的工序,将2D平面逐层堆叠,“印”成3D实体。

3D打印骨骼一般分为以下几步。

1.设计:取得电脑扫描图像,经影像分析软件(如Mimics),把影像作3D重组处理后,医生与生物医学工程师一同商议治疗方案及所需打印部位。

2.入机:影像经过处理后,会送往3D打印机打印。工程师会预先计算好最省时省料的模型摆放位置。

3.打印:采用熔融沉积成型(FDM)技术,即将塑胶材料经高温熔解,以液态喷出,随即变为固体。3D打印机均为双喷嘴设计,左边喷出打印实体(如骨骼)的物料,右边则为支撑物料,用以支撑3D实体的“凌空”部分。

4.清理:打印后要清除支撑物料,可待模型干透后直接清理,也可将制成品浸泡于特定溶液中,将支撑物料溶化,此法可确保实体表面不受损坏。

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