3D列印技術在生醫材料上的應用

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3D列印技術 有快速製作原型的優點,因此已在醫學和生物醫學工程領域得到廣泛應用。而優點則是具備低成本,以及的生產時間相對較短與避免材料損失。

圖1. 3D列印在生醫材料上的應用

另一方面,這些方法通過快速的原型測試加快了設計過程,從而降低了生產成本並發現了模型中可能存在的錯誤。另一個優點是可以發送帶有列印資料的電子文件,從而與來自世界各地的專家合作,他們每個人都可以同時獲得自己的產品列印輸出。這些越來越便宜的列印機可以每週7天全天候工作,為3D模型的競爭力提供了優勢。但是,它們的使用範圍不取決於可用的材料,而是取決於醫學界對其應用的要求,需求或技能。

圖2. 3D列印在外科手術和整形外科中的應用範例

(a)填充骨腔的元件
(b)用皮質替代常規鑄件
(c)通過SLS方法製成的定制後支架
(d)植入顱骨
(e)採用DMLS方法製成的髖關節植入物
(f)椎間盤植入物

外科,骨科,術前診斷的3D列印方法

添加劑技術已廣泛應用於醫學中。在為學生以及醫生製作教具的過程中使用3D列印 已成為日常工作。但是,首先,所有3D列印機(FDM,SLS,SLM,DMLS類型)都用於外科手術和整形外科,以生產各種矯形器,外骨骼,假體(例如e-Nable植入物),內置假體,它們的組件以及其他用於替換受損組織的植入物,器官或支援其功能的部分心臟假體。列印患者客製化的植入物可加快手術過程並降低成本。這些植入物或它們的元件用於重建骨缺損或連接骨骼碎片,在這種技術中,越來越多的新型生物材料如PEEK,PEKK,生物陶瓷,礦物化合物等被應用。

圖3. 3d列印在術前計劃中的應用:

(a)肝臟的模型
(b)腎臟的模型
(c)心臟的模型

圖4. 3D列印在術前計劃中的應用:

(a)通過SLM和SLS技術製成的帶有骨植入物的骨盆模型
(b)連體雙胞胎的血管模型

3D列印 還可以形成植入物,骨骼或其他結構模型的原型,來自CT計算機斷層掃描或MRI磁共振成像的DICOM圖像獲得,用作醫療案例可視化的工具,有助於更準確地熟悉它們,或簡化醫師與生物工程師和患者之間交流的工具。此外,在計劃過程中會使用3D列印手術前。列印輸出–骨骼,其他解剖或病理結構如癌性腫瘤的3D模型,可使用CJP或3DP方法獲得。

考慮到所有細節有時很難在X射線照片上註意到,來準備和計劃複雜的手術。反過來,這使得可以為患者選擇最佳的治療技術,從而縮短了手術過程和治療時間,並降低了術後並發症的風險。 3D列印在以下方面也有類似的應用心臟手術,耳鼻喉科和其他醫學專業的術前診斷和計劃,如在子宮內進行胎兒手術期間的判斷。

圖5. 3D列印在重建手術和移植學中的應用:

(a)埃里克·莫格(Eric Moger)及其面部植入物

(b,c)耳朵的軟骨支架

(d )腎臟植入物

(e )皮膚植入物

生物列印及其期望

添加劑技術還用於所謂的生物列印,其中建築材料是幹細胞。它們被逐層施用,並與特殊的凝膠物質結合,可以獲取器官如肝臟,腎臟,血管,神經,皮膚組織,肌肉或軟骨,目前在某些情況下已經實現。這用於再生醫學,例如在傷口和燒傷痕蹟的治療中或在包括面部和顱面手術在內的整形外科手術中,例如波蘭的格利維採或埃里克·莫格(Eric Moger)患者-癌症患者,接受了印刷的尼龍假體,替換了一部分他的臉。生物列印也是移植醫學的機會,因為它可以減少甚至消除人類供體器官的使用。此外,它還可以應用於腫瘤學,其中列印出來的癌性腫瘤模型可以測試藥物或其他類型的治療方法的影響,而不會侵犯人體和致癌的風險。生物列印技術(基於雷射或噴墨技術,甚至採用FDM方法)一直在不斷開發和進步,從患者細胞和器官中已經列印出了第一個有機心臟的生物材料,但這種結構尚未準備好移植。目前,由於人體器官的複雜結構,生物列印仍是一個廣闊的前景,儘管據生物技術專家稱,它可以促進移植學和外科手術的發展。

圖6. 3D列印在牙科和修復牙齒中的應用–由PolyJet和DLP製造的修復體

3D列印在牙科和修復學中的應用

3D列印尤其是基於雷射的方法,例如SLS,SLM,DLP,JM或–很少使用-FDM也用於牙科和修復牙齒,從而可以製備修復組件包括冠根、金屬合金鑲嵌物,植入物的外科手術指南,永久性修復體的子結構(即冠和橋),可摘假牙,牙科鑲片或試驗用牙貼面和骨替代材料。 由於有了這項技術,這些元件的製造不會持續數週,僅需幾個小時。而且,FDM方法使得可以從生物相容性材料例如PLA聚乳酸或外科手術指南中印刷壓印元件。 此外,3D列印還用於生產用於教育的解剖模型或單獨設計的奈米纖維素繃帶,這些繃帶是在口腔內手術後進行的。

參考文獻

Mordal, K. (2020, June). THE APPLICATION OF 3D PRINTING IN DIFFERENT AREAS OF MEDICINE. In The Book of Articles National Scientific Conference “Science and Young Researchers” IV edition (p. 30).

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