医疗3D打印“火”上太空，国内的技术特点和发展现状如何？
文章来源：贤集网发布日期：2022-04-19浏览次数：101 3D打印即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D在国外发展历史较长久，先发明3D概念的是1986年查尔斯·W·哈尔成立了世界上第一家生产3D打印设备的公司：3D Systems公司。3D打印技术应用场景医疗3D打印也称为增材制造技术，是一种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。在这个过程中，计算机将产品分为若干薄层，每次用原材料生成一个薄层，一层一层叠加起来，终将计算机上的蓝图变为实物。3D打印技术目前在医疗器械领域主要应用在、手术导向模板以及生物打印等方面。近年来，发现3D打印技术在植入物领域具有较好的应用效果，特别是在骨外科领域，这主要是因为骨外科需要对缺失或损坏的骨头进行重新植入，且植入物的大小和形状各不相同，普通的打印技术无法进行这项精密的工作，而3D打印技术则正好能解决这个问题。具体来说，主要体现在以下两个方面：一是骨外科所需要用到的不锈钢、钴铬合金等修复材料。这些材料都可以应用于3D打印技术当中，然后使用激光束等设备对其进行制造；3D打印技术能够根据人体骨骼的不同或需求来制造微孔，从而使植入物与骨骼能够完美吻合。二是手术导向模板。3D打印技术能够根据实际情况对手术导板进行个性化设置。手术导板主要包括脊柱导板、关节炎导板等，3D打印技术能够在逆向工程技术的配合上尽可能地减少放射性暴露，均衡放射剂量，从而降低手术风险。此外，3D打印导板还能够大幅度降低术后感染，减少手术并发症的出现。3D打印技术还可应用于生物打印。生物打印是指原材料是人体细胞，加上生物墨水，将其加工成具有血管等内部构造的生物活性组织，从而实现批量化打印人体的肝脏等器官组织，活细胞混合液是生物墨水的主要成分，当前主要有细胞悬液、载细胞水凝胶和脱细胞化细胞外基质溶液等几种类型。相关研究发现，3D打印技术打印的器官能够正常维持人类的新陈代谢，有效维护人类的免疫调节。除了原料和3D打印设备外，还需重视增材制造中的以下关键工艺：加工具有不同工艺特征的多元复合材料；整合不同材料的非均一性（可能需要使用复杂的加工技术）；在多元材料加工中，不同材料的界面特性造成了材料之间的界面不稳定，使得成品的完整性受损；复杂多层结构的精密成型以及梯度的排列组合也是需要关注的重要难题；对于生物打印而言，活细胞被视为生物材料的一部分，所以维持打印后细胞的活性和功能也至关重要。3D打印产业链的上游涵盖激光器、振镜、三维扫描设备、3D打印软件、粉末原材料等。中游以3D打印设备生产厂商为主，部分也同时提供打印服务及原材料供应，在整个产业链中占据主导地位。下游行业应用已覆盖航天航空、汽车工业、船舶制造、能源动力、轨道交通、电子工业、模具制造、医疗健康、文化创意、建筑等各领域。3D打印市场据市场调研机构预测，到2022年全球3D打印医疗器械市场将达到89亿美元。骨科相关的医疗器械在2024年全球销售额预计达471亿美元，年复合增长为3.7%。其中，我国每年约有不少于300万例的人体骨骼植入，而我国老龄化的峰值也将在未来的三十年到来，其规模远超欧美等发达国家，骨科器械需求的增速远超全球市场，潜力巨大。从医疗3D打印市场在世界主要地区的分布看，北美地区占比高，达到39.7%，欧洲地区居其次，而亚太地区占比偏低，仅为14.4%。这主要是因为以美国为代表的国家，3D打印起步早，Stratasys、3D Systems等3D打印巨头出现，为3D打印在医疗行业的应用提供了技术支撑。而且，北美地区人均收入较高且有较为完善的医保体系，形成了庞大的消费群体。但是，随着亚太地区经济发展水平的提高和3D打印技术在医疗行业的逐步推广，亚太地区将成为增长快的医疗3D打印市场。中国作为亚太地区大的医疗消费国家，医疗3D打印市场发展潜力巨大。中国3D打印技术的特点我国第一次接触3D是在1988年，清华大学颜永年教授在美国UCLA访问期间接触3D打印。相比国外，我国3D打印呈现以下特点：1、产业化程度较低 我国3D打印产业虽然取得了较大进步，但是行业整体上呈现“小、散、弱”的状态。虽然我国现有3D打印制造企业数百家，企业数量排名全球前列，但行业缺少规模大、实力强的国际龙头企业。2、硬件依赖进口，软件存在空白 我国3D打印制造装备总体上与发达国家还有较大差距，关键装备与核心部件严重依赖进口的问题依然较为突出。另外，我国3D打印软件市场被国外企业垄断，用于支撑设计、扫描路径形成、方案制定的专用工艺软件及控制软件在国内仍处于起步阶段，有些软件甚至处于空白。3、行业标准体系不健全 欧美发达国家和地区非常重视增材制造标准体系的建设，早在2009年，ASTM就组建完成了专业的3D打印技术委员会F42。该委员会下设8个分技术委员会，目前已经发布标准11项，还正在制定另外的11项。2011年，ISO也成立了一个类似的委员会TC261，并且很快与ASTM的F42委员会签署了合作协议，联合启动了3D打印技术的标准化工作，然后分别于2013年和2015年发布了三份ISO/ASTM标准，分别从术语定义、坐标系定义、3D打印数据格式等方面进行了规范。4、行业研发主力还停留在大学和研究所 目前国内3D打印的研发大部分还是靠大学和研究所，3D打印企业对于研发的投入过少，从近年来3D打印行业相关申请专利数量来看，排名靠前的为华南理工大学，西安交通大学，浙江大学，吉林大学等，专利申请数量排名前五位中有4所大学。3D打印应用广泛，在许多领域有着广阔的应用前景，目前我国3D打印在航空航天、工业机械、电子消费品和汽车领域有着较大的应用，在医疗方面的应用相对较低。中国医疗3D打印技术的前沿3D打印在医疗方面的应用：目前，3D打印在医疗模型、手术导板、康复器械、金属植入物、药物、组织器官、口腔和医疗器械制造方面均有应用。尤其在医疗器械和康复器械方面表现较为突出，主要原因在于这些器械体积较大，结构较为简单。1、3D打印的医疗模型和手术导板 例如2015年上海市第一人民医院普外科中心主任彭志海教授团队采用3D打印技术为一位来自贵州的患先天性自身免疫性肝硬化门静脉高压症的病人进行活体肝移植。术前为了能制定手术方案，专家想到了3D打印技术。3D打印将患者的肝胆胰脏器和相应的病变部位以1：1的“实物”形式呈现在医生面前，通过精确评估病变范围与临近脏器组织的三维空间关系，专家团队确定切除病患307克的肝脏。在进行肝切除时，专家将模型带入手术室在术中进行实时比对，通过调整3D打印模型并置于佳解剖位置，为手术关键步骤提供直观的实时导航，对关键部位快速识别和定位；通过精确定位病灶、血管，实时引导重要脉管的接合，提高了手术性，有效降低了手术风险。2、3D打印康复器械 以已经实现3D打印批量定制化生产的助听器外壳产业为例。在传统的方式下，技师需要通过患者的耳道模型做出注塑模具。然后通过紫外线得到塑料产品。通过对塑料产品进行钻音孔和手工处理后得到助听器终形状。如果在这一过程中出错，就需要重新制作模型。而使用3D打印机制作助听器的流程，始于患者耳道硅胶模或印模的设计，这个步骤是通过三维扫描仪来完成的。然后用CAD软件将扫描数据转为3D打印机可读取的设计文件。设计者可以通过软件修改三维图像，及创建终的产品形状。EnvisionTec打印机大约可以在60到90分钟内打印出65个助听器外壳或47个助听器模型。3、3D打印植入物 2015年由北京大学第三医院张克教授团队和爱康宜城公司合作研发的3D打印人工髋关节获得国家食品药品监督管理总局批准，成为我国获准产业化的3D打印植入物。4、3D打印药品 例如，在2015年美国食品药品监督管理局己在全球批准完全用3D打印制作的药片。这款名为Spritam的药物由美国Aprecia制药公司研制，用于治疗癫痫症患者。Aprecia使用的Zipdose3D打印技术重要的意义就是使药物能够在少量的水中迅速崩解高剂量的药物，这种药物给发病时的患者带来了极大的方便。5、3D打印与口腔科 近年来，以软件设计为基础的牙科修复变得普及，很多牙科诊所、实验室或专业义齿生产企业都引入了3D打印技术。结合了3D打印的数字化口腔技术为牙科行业带来了精度高、成本低、效率高，以及符合规范化生产链相符的口腔数据。6、3D打印与医疗器械制造 例如，在膝关节前交叉韧带损伤修复手术中，医生首先要去除残存的前交叉韧带，然后准确的替换上移植韧带。如要保证手术的和微创，医生需要借助一种精密而特殊的手术工具。总体来看，3D打印在医疗方面的应用逐渐深入，应用范围越来越广泛，未来我国3D打印在医疗方面的市场前景将得到充分发展。 
