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中国智造:3D打印打出无限生机

2019-07-12 10:53编辑:admin人气:


  3D打印技术正开始走入我们的生活。从用白色树脂制作快速模型,到用混合材料打印出各色可以直接使用的物品,3D打印技术即将让我们的生产生活方式发生巨大改变。在一些医院中,3D打印已经造福于患者,让他们的手术更加简便和成功。

  打出你的个性模型

  来到上海交通大学医学院附属第九人民医院,采访3D打印技术在该院的应用。3D打印机不是打印文字、图片的二维打印机模样,而是一个单门冰箱一样的柜子,透过柜门上的玻璃观察窗,看到打印头正在来回运动,不断喷出一条细细的塑料丝,不一会儿,就露出了模型上一道清晰的白边。

  整复外科的俞哲元医生简单介绍过这台3D打印机后又加了一句:像这样的3D打印机可能很快就会被淘汰。平时,九院整复外科、骨科、口腔科、眼科的医生都用这样的3D打印机打印模型,帮助患者修复颅骨缺损、修整下巴、垫高鼻子、重塑颧骨和设计各种头面部手术操作。

  3D打印技术又叫快速成型技术,指根据计算机辅助设计(CAD)模型逐层完成实体模型的制造技术。俞哲元展示了一组快速成型技术在整形外科的临床应用的图片,在这里看到许多不幸的面孔,先天畸形、外伤和肿瘤使他们遭受生理和心理双重折磨。3D打印技术的临床应用,给他们带来了过上普通人生活的希望。

  俞哲元不时拿来一些以前3D打印的白色塑料模型,都是人脸部、头部需要整复的零部件。他说,这样的个性化三维模型优势就是提高临床诊断和治疗水平。

  两张头面部血管瘤患者的头骨模型照片,白色模型上红色血管瘤纤毫毕现,医生在手术前就能对瘤体分布了如指掌,手术中模型还起到了导航作用。

  整复外科的不少病人都需要植入个性化假体,3D打印能让不规则的植入体制作得严丝合缝,俞哲元将这一过程称为虚拟制造与实体制造的结合:CT扫描获取患者影像数据,计算机辅助三维影像重建,量化评估临床需求分析,计算机辅助三维植入体设计,快速成型输出,植入体模块实体验证,EH复合人工骨翻模成型,最后应用于临床手术。

  一组3D打印翻制的植入体设计临床应用照片:

  小伙子车祸后左侧颅骨缺损了巴掌大一块,医生利用车祸留下的伤疤,放入3D打印设计的植入体,颅骨修复如初。

  另一个小伙子患右侧半面短小症,3D打印翻制的植入体撑开了短小一侧的脸颊,术后6个月,他成了帅小伙。

  俞哲元拿来一些白色小零碎,有为数字化轮廓整形手术设计的模型,也有手术后从患者脸部取下的真人骨头碎片。

  女孩下颌角肥大,要做口内切口下颌角整形术,术前她看了模拟图,切下的骨头与设计的模型一样,她开心极了。

  一个男孩双眼瞪得像铜铃一样大,需要做面中部牵引手术。3D打印模型为牵引手术实现了精确设计,令他恢复如正常人一般,同患此病的妈妈也来做了手术。

  被上帝吻过的孩子先天性唇腭裂,医生从孩子出生后就设计制作了塑料导引板,让孩子每周换一个,3个月后豁口变小,手术效果更上一层楼。

  为外科手术精确导航

  在九院听到许多关于3D打印技术应用的故事。

  口腔修复科博士后顾晓宇所在的团队开发出了一套高度集成的具有临床应用价值的颜面缺损数字化赝复诊疗系统,在3D打印技术的帮助下,大大提高了颜面缺损修复效率与精确性。目前,该技术已在国内能够进行颜面缺损赝复诊疗的9家3甲医院临床应用,取得了良好的社会效益。

  60岁的男性崔某某鼻部恶性肿瘤全鼻切除,医生先CT扫描,获得三维数字模型后进行配准融合操作,得到设计模型,再从数据库中选出合适的鼻外形数据,患者认可后作为设计依据。经一系列复杂设计,3D打印翻制出模型,染色、装胶、加温固化,患者戴上硅橡胶材料新鼻,十分满意。

  先天性小耳畸形症通常的手术方式是用病人一段肋骨软骨再造一只健全的耳朵。耳再造专家张如鸿教授为雕琢出一只堪称完美的耳朵,以往要在手术室忙6个小时。现在3D打印先拷贝好健耳模型,手术中软骨雕塑有实物参照,不仅全耳再造手术缩短至2小时,新耳和另一侧健耳还如出一辙。

  骨盆肿瘤手术是骨科领域难度很高的一项手术,要求速度快、下刀准,切除干净,骨盆切割线的位置要求十分精准。医生会在术前用3D打印出一个患者的模型骨盆,骨盆上的拼接缝清晰可辨,那是医生手术下刀的切割线。中国工程院院士、九院骨科教授戴尅戎说:3D打印的骨盆原型带给医生充分的手术设计辅助。

  一个小伙子车祸造成分隔脑与眼部的眶上壁骨骼断得粉碎,眼眶下壁也掉到了上颌窦内。上海交通大学机械学院3D打印了两个白色头骨模型,眼科医生比照左眼眶垮塌的模型对断骨截骨、复位和固定,又比照完好的模型截取、弯曲和安装钛板。5天后,小伙子康复出院。

  有了3D打印,患者需要的个性化零部件都能定制了。据了解,从2004年就开始研究和使用3D打印机的上海交通大学目前用得最多的是第三代激光快速成型机,打印材料是PSB塑料,能够为上海大部分三甲医院和山东、广东、江苏、浙江等地的一些医院服务,每年有600多位患者受益。

  除了PSB塑料的激光快速成型机外,第三代打印机里,还有一种工艺精度更高的液态光敏树脂固化快速原型机,以光敏树脂为原料,在计算机控制下的紫外光、激光按预定设计的轨迹对液态树脂逐点扫描,使被扫描区的树脂薄层产生光聚合反应,从而形成一个个薄层截面,最终形成立体模型。

  在医学应用中,光固化成型主要用于制作手术导板。手术中,医生切开皮肤、肌肉,暴露手术部位后,如果依然无法对需要切除的患处精确下刀,只需要将模型安放上去,与模型间有一条直线接缝的可拆卸区域就是手术导板,手术刀沿直线接缝游走,切下导板的同时,也精确切除了患处。

  未来具有无限可能

  3D打印被很多人视为带来了第三次工业革命。但对医生们来说,这技术就像是躲在医生身后的手术助手,如果将来打印出的模型能直接用于病人体内,那必将带来医疗界的革命。

  前几代3D打印只能打印纸质、塑料模型,打印时间长,打印成本高,打印过程中还会产生污染,不够环保,这就是俞哲元所指出的,这样的3D打印机会不断推陈出新的原因。

  即便还有诸多不完善之处,但医生们依然十分感谢3D打印这位手术助手。眼见为实的模型可以帮助医生设计高难手术,进行术前模拟,术中导航,在一些视野受限的手术中,能快速找到患处,精准放入植入体,将手术风险降至最低。这样的3D打印在上海多家医院已成为高难手术前的常规操作,降低了高难手术的难度和风险。

  此外,与患者的沟通变得很直观,患者目前状况、手术会怎样进行、达到什么效果,都能让患者知晓,并给予很好配合。特别是关乎患者容颜的头面部修复手术和美容手术,这样的沟通尤其重要,经患者认可的3D打印翻制的植入体设计让患者对术后效果有了直观的预期,往往在手术完成后他们的满意度更高,而医生也减少了对潜在医患纠纷的担忧。

  3D打印还为年轻医生壮了胆,手术难度降低,手术导航保驾,使他们经过两三年培养,就能独立完成手术。更重要的是,3D打印还带来了学科交叉、人才培养、配套服务等环节的变化,伴随数据处理、加工、新材料研发等领域的推进,抓紧培养医科、工科复合型的年轻医生,已成为九院等许多大医院的共识。

  据悉,医生们翘首以盼的第四代3D打印机已实现技术突破,打印头能发射温度极高、焦点集中的电子束,迅速融化钛合金粉,一点一点完成金属的堆叠,最终打印出所需的物件。上海交通大学正计划从瑞士引进第四代3D打印机,打印出的钛合金物件有望直接用作骨科材料植入人体。

  如果3D打印机的墨盒里装的是塑料,就能打印出一个塑料制品,如果装上细胞,就能打印出一个器官尽管这还有待于生物材料、干细胞、组织工程等多学科的科技突破,但这样的前景令人鼓舞。

  许多人提出了不同的技术路径,有的设想先用生物材料打印出骨架,再在上面进行干细胞培养,诱导形成组织;有的则设想直接打印生成器官;更大胆的想法,是用打印机直接在人体上打印,连植入都省了。

  这听上去有些疯狂,但3D打印在医学临床的应用确实日新月异。今年3月,美国维克弗里斯特再生医学研究所所长、外科医生安东尼阿塔拉在演讲时,捧出一个3D打印的粉红色肾脏,全场听众起立鼓掌。很快,这个还不具备功能的肾脏被讹传成是一个可以移植的肾脏。

  这是一个寄托了美好希望的讹传,或许未来某一天,希望真能变成现实,生命也将重现生机。

  赶上3D打印这波科技革命大潮

  沈则瑾

  我曾经去上海一个创业园区采访,第一次看到3D打印机,就被深深吸引住了:拿着那个打印出来的小小纸质模型端详许久,想象着在园区创业的年轻人把创意注进这神奇的机器,蓝图能够早日变成现实,就替他们高兴。这次采访上海交大医学院附属第九人民医院,才知道园区那台3D打印机已落伍,连正在使用的第三代3D打印机都已落伍,最新的第四代3D打印机能打印飞机、汽车和房子,能打印珠宝、牙齿和血管,更令人难以置信的是,这只是一项问世才30年的技术。

  无所不能打印的3D打印技术,被视为是一项颠覆传统生产方式的革命性技术,被誉为是继蒸汽机、电脑、互联网后又一项伟大的发明。未来学家预言,3D打印技术将对人类生活、学习和工作产生深远的影响。

  进入新世纪的新十年,3D打印加速进入人们视野,各种令人称奇的消息接踵而来。

  去年8月,英国南安普敦大学设计并试飞了世界上第一架打印飞机,飞行时速达100公里,其材质质地紧密程度超乎想象。

  去年9月,世界上第一辆打印汽车在加拿大亮相,单缸发动机制动功率8马力,最高时速可达112公里。

  今年3月,维也纳科技大学推出纳米级3D打印机,有望掀开生物工程领域新篇章。

  今年7月,美国宇航局称在研究未来3D打印宇宙飞船。此外还正在测试一种太空3D打印机,供宇航员在太空打印所需物品。

  让人自豪的是在3D打印这个未来前景十分看好的领域,中国人也站到了第一方阵内。去年11月,华中科技大学史玉升科研团队成功开发出世界最大激光快速制造装备。成形空间1.2米1.2米、基于粉末床的激光烧结快速制造装备,使我国快速制造领域达到世界领先水平,也是我国在先进制造领域的一项新突破。

  就像史玉升说的,快速制造技术最大优势是可以扩大人类的创意空间,加速工业产品设计与开发的步伐,可是目前国内工业界对其了解不够,其应用前景还有待进一步开发。

  3D打印技术有待完善,但3D打印市场潜力巨大,以3D打印为代表的数字化、智能化制造以及新型材料的应用,将推动实现第三次工业革命,成为引领未来制造业趋势的众多突破之一。我国企业应该猛醒直追,迎头赶上这一波科技革命大潮,而不是将3D打印仅视作一门与自己关系不大的新技术。

(来源:未知)

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