3D打印技術(shù)醫(yī)療應(yīng)用案例分析

 

　　3D打印義齒

 

　　中國有94％的人口存在牙齒問題，10個(gè)人中就有1個(gè)人安裝了假牙（義齒），年均假牙消費(fèi)量達(dá)8165萬顆。目前市面上，假牙的制作主要采用傳統(tǒng)人工鑄造和數(shù)控機(jī)床（CNC）切削加工制作方法。人工鑄造的方法過程較慢，返修率大；CNC制作成本高且精度較低。隨著3D打印技術(shù)的普及，3D打印制作義齒的應(yīng)用也正蓬勃興起。

 

　　3D打印在口腔醫(yī)學(xué)的基本應(yīng)用包括：修復(fù)領(lǐng)域、正畸領(lǐng)域、種植領(lǐng)域、頜內(nèi)外科領(lǐng)域。在修復(fù)領(lǐng)域，可以利用3D打印技術(shù)制作牙冠、咬槽骨、義齒等（圖3）。在種植領(lǐng)域，種植義齒的時(shí)候利用模型進(jìn)行手術(shù)模擬可以減少手術(shù)的誤差和風(fēng)險(xiǎn)，且性能優(yōu)于傳統(tǒng)CT影像種植。在正畸領(lǐng)域，可以制作個(gè)性化的正畸產(chǎn)品，給患者美觀舒適的體驗(yàn)。

圖3 牙科3D打印數(shù)字化流程

 

　　牙醫(yī)可以使用金屬粉末激光熔融打印義齒（圖4），或利用可以進(jìn)行消蝕鑄造的樹脂材料制作牙冠和牙橋的原始蠟型，結(jié)合專門的鑄造工藝得到優(yōu)質(zhì)的金屬鑄造件；通過使用3D打印手術(shù)導(dǎo)板，牙醫(yī)可以輕松地將植入物放到準(zhǔn)確的位置，而不必像傳統(tǒng)方法那樣全憑自己的經(jīng)驗(yàn)去猜測(cè)，3D掃描和3D打印對(duì)傳統(tǒng)模具的取代，也減緩了患者在醫(yī)療過程中的痛苦。

圖4 3D打印的義齒

 

　　當(dāng)前最先進(jìn)的牙科3D打印產(chǎn)品是是普蘭梅卡公司今年發(fā)布的Planmeca Creo，這款機(jī)器基于數(shù)字光處理（DLP）技術(shù)（圖5），可以3D打印定制牙科夾具、植入物、手術(shù)導(dǎo)板及其他的醫(yī)療模型。在全球范圍內(nèi)，目前已逾數(shù)千的3D打印模型、牙冠、牙橋在牙科診所中使用。

圖5 普蘭梅卡3D打印機(jī)Planmeca Creo和打印成品

 

　　3D打印技術(shù)在齒科方面的應(yīng)用可以總結(jié)為：用自動(dòng)化科技替代了大量的人工操作，使得一顆義齒蛻變成擁有高科技、低成本、高質(zhì)量的“優(yōu)秀義齒”。

 

　　3D打印骨科植入物

 

　　骨科植入物市場(chǎng)中最主要有3個(gè)類別：關(guān)節(jié)植入物、脊柱植入物、創(chuàng)傷植入物（如骨釘、骨板）。2016年全球關(guān)節(jié)、脊柱、創(chuàng)傷植入物市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到418億美元。其中，關(guān)節(jié)植入物為229億美元，脊柱植入物為113億美元，創(chuàng)傷植入物為77億美元。在全球市場(chǎng)中，關(guān)節(jié)植入物的占比最高，達(dá)到了54．7％。3D打印技術(shù)在骨科中的應(yīng)用方式主要可以分為指導(dǎo)醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)和打印患者需要的植入物兩個(gè)方面，此外，也可以打印一些輔助器材，例如美國密歇根大學(xué)與Altair Engineering和Stratasys公司攜手合作，共同組成了CYBER團(tuán)隊(duì)。該團(tuán)隊(duì)最近接受America Makes（美國國家增材制造創(chuàng)新研究員）的委托和資助，致力于開發(fā)出一種解決方案，該方案將利用3D打印和工業(yè)4．0來改造踝足矯形器（AFO）的設(shè)計(jì)、舒適性、實(shí)用性和定制。

 

　　醫(yī)生可以利用電子計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）來獲取骨科患者特定部位的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)患者需要做出調(diào)整，打印出仿真的創(chuàng)傷骨骼系統(tǒng)模型。醫(yī)生依靠此模型來設(shè)計(jì)手術(shù)方案，可以預(yù)估手術(shù)進(jìn)程，優(yōu)化手術(shù)方案。另一方面，由于骨科手術(shù)往往需要大量的植入物，醫(yī)生可以通過計(jì)算機(jī)軸向斷層掃描（CAT）成像，并通過計(jì)算機(jī)軟件對(duì)該圖像進(jìn)行鏡像，就可以使用3D打印定制植入物，這種方法可以實(shí)現(xiàn)高精度、高強(qiáng)度、高時(shí)效和高性價(jià)比；可以實(shí)現(xiàn)沒有工具成本、沒有改成型成本，達(dá)到快速生產(chǎn)的目的。2016年北京大學(xué)第三醫(yī)院劉忠軍為一名脊索瘤患者植入了世界首個(gè)3D打印多節(jié)段胸腰椎植入物——長達(dá)19 cm的脊柱（圖6），成功替代了患者被徹底切除的5節(jié)脊椎。這種人工椎體的3D打印一步成型，在簡化工藝、降低庫存和運(yùn)輸壓力等環(huán)節(jié)的成本遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的鈦網(wǎng)工藝。該椎體在性能上的優(yōu)勢(shì)顯著，其機(jī)械性能滿足了病人所需的連接和支撐功能，利用3D打印定制性的便利，可以專門設(shè)計(jì)連接結(jié)構(gòu)以增強(qiáng)穩(wěn)定性，人工椎體上的微孔結(jié)構(gòu)類似骨小梁，能讓相鄰正常椎體的骨細(xì)胞長入其中，實(shí)現(xiàn)骨整合。

圖6 北京大學(xué)第三醫(yī)院為患者植入的3D打印脊柱