3D打印

发布日期 : 03 October 2024

发布者 : Ipseeta Dash

3D打印并非新概念，它起源于20世纪80年代。这项技术不仅彻底改变了制造业，也对建筑、航天、医疗保健等其他行业产生了深远影响。在医疗领域，骨科、儿科、放射科、肿瘤科等科室已广泛应用3D打印技术制造假肢、器官移植和医疗设备。

什么是3D打印？它如何改变世界？

医疗保健行业遭遇风暴？

3D 打印是一种增材制造方法，它按照数字蓝图，使用金属、塑料和陶瓷等材料，逐层创建三维物体。

虽然已有3D打印公司大规模生产这些物品，但医疗产品的按需生产正在患者护理现场进行，即所谓的即时医疗制造。这些产品根据患者的生理和个人需求定制生产。与传统制造方法生产的产品相比，它们更轻便、更坚固、更安全。它们的生产时间也更短——过去需要一周才能完成的产品，现在不到一天就能完成。

如今，拥有院内3D打印设备的医院数量正在稳步增长。据美国医院协会（AHA）统计（见图1），美国拥有此类设备的医院数量从2010年的5754家增加到2020年的6093家。甚至美国食品药品监督管理局（FDA）也一直在定期批准使用3D打印技术制造的医疗产品。

3D打印技术

应用、趋势与挑战

种植体和假体

3D金属打印技术有助于生产耐用、匹配度更高、性能更佳的膝盖、脊柱、髋关节和颅骨植入物。

利用电子束熔化（EBM）技术，借助电子束逐层熔化金属，从而制造出精密植入物。这些植入物模拟了正常骨组织的弹性，使其能够融入骨骼结构中。另一方面，3D打印肿瘤假体被肿瘤学家广泛用于重建因癌症而失去功能的各种人体器官。

现成的假肢尺寸齐全，随处可见，但要通过传统方式定制假肢则需要花费数千美元和大量时间。这给那些假肢尺寸不合适、需要定制替换部件的儿童带来了不小的影响。

2016年，莱曼·康纳和爱德华多·萨尔塞多研发了莱曼的Mano-matic假肢，为那些负担不起传统假肢的患者提供3D打印仿生假肢。这种假肢成本更低，制造时间也更短。

数字牙科

在牙科领域，3D打印技术被用于制作假牙、手术导板、牙桥模型和隐形矫正器。此前，这些透明矫正器的生产需要结合繁琐的手工和铣削工艺。而3D打印技术则大大加快了这一过程，因为它可以根据患者的数字化扫描数据来定制模具。

据报道，到 2027 年底，3D 打印牙科植入物行业规模将达到近88 亿美元，每年生产的牙科设备和修复体超过4.5 亿件。

解剖模型

借助3D打印技术，专家可以利用核磁共振成像（MRI）和计算机断层扫描（CT）数据，精确复制人体部位，例如3D打印的拇指，使外科医生能够提前为复杂的手术做好准备。例如，2016年，爱尔兰一名儿童需要接受手术以改善前臂旋转功能。CT扫描和X光片显示其骨骼畸形。但外科医生决定打印受影响部位的3D模型进行进一步检查。他发现，阻碍手臂旋转的并非扫描显示的畸形骨骼，而是其他因素。一旦找到真正的原因，手术仅用了不到30分钟就完成了，而最初计划的截骨术则需要4个小时。患者在4周内手臂旋转功能恢复了90%。恢复时间、疼痛和疤痕都显著减少。

2020 年的一份报告支持使用 3D 解剖模型作为手术导板，并指出这可将手术时间缩短 60 多分钟至 2.5 小时，每次手术可节省约3,500 美元。

医疗器械

排名前50的医疗器械公司中，绝大多数都在使用3D打印技术来制作医疗器械的精确原型。这项技术在医疗设备的快速部署中发挥着至关重要的作用，从而有效解决了供应链问题。

根据外科医生的要求，手术刀柄、镊子和钳子等手术器械采用不锈钢、尼龙、钛合金或镍等原材料进行3D打印。这些器械正在帮助医生以更高的效率完成更优质的手术。

德国医疗器械生产商Endocon GmbH公司正在利用金属3D打印技术制造用于髋关节杯取出术的手术工具。此前，该手术使用凿子，容易损伤组织和骨骼。Endocon公司研发的endoCupcut工具采用不锈钢合金制成，可在三分钟内更精准地沿髋臼杯进行切割。

在抗击新冠肺炎疫情的斗争中

3D打印技术在制造各种一次性医疗设备方面的应用非常广泛。利用3D打印技术和医用塑料，可以生产出供医护人员和患者使用的各种产品（见图2）。在全球疫情期间，由于医疗机构面临着快速推出个人防护装备（PPE）和医疗器械的巨大压力，医疗保健3D打印市场出现了迅猛增长。

俄勒冈健康与科学大学的一个团队针对全球呼吸机短缺的问题，开发出可以使用 3D 打印技术快速制造的低成本呼吸机。

再生医学

在全球范围内，需要器官移植的患者人数不断攀升，而可供移植的捐献器官却严重短缺。再生医学旨在利用支架、生物材料或细胞来制造用于移植的器官，从而减少对器官捐献者的依赖。

2019年，特拉维夫大学的科学家利用患者自身的生物材料，成功制造出首例3D心脏模型。这个微型模型的大小与兔子的心脏相当。他们相信，同样的技术也可以用来制造更大的人类心脏。

尽管要通过 3D 生物打印和移植心脏或肝脏等复杂器官还有许多障碍需要克服，但膀胱等器官自 21 世纪初以来已经得到开发和移植。

精准医疗

药房和医院的3D打印机可以帮助药剂师、医生和护士根据患者的体重、年龄、生活方式和性别来调整药物的剂量和给药方式。Aprecia Pharmaceuticals公司用于治疗癫痫的Spritam是首个获得FDA批准的3D打印药物。

患有多种疾病的患者需要在一天中的不同时间服用多种药物，这很难坚持规律的服药时间。3D打印的复方药丸包含多个药物隔室和释放模式，可以处理不同的药物剂量以及药物间的相互作用，从而无需安排服药时间和密切监测。

简化研发流程，无需进行动物试验

制药行业每年在研发方面投入超过550亿美元。借助生物打印技术，研究人员可以复制人体器官和其他组织，从而在无需进行动物或人体实验的情况下测试药物疗效。生物打印的组织和器官正被广泛用于提高临床试验的成功率，减少对动物造成的伤害，同时简化和加速整个研发流程。

人工智能在3D打印中的应用

随着人工智能与3D打印技术的融合，企业管理制造运营的方式正在发生重大变革。从产品设计开发到制造和应用，人工智能技术可以优化整个供应链。通过自动化打印流程，人工智能可以最大限度地减少人为错误的发生。

FDA在监管中的作用

医疗保健领域的3D打印技术

美国食品药品监督管理局（FDA）监管的是使用3D打印技术制造的产品，而非3D打印机本身。监管范围取决于使用不同材料打印的产品类型（见图3）、产品用途及其相关的安全风险。

由于3D打印技术在定制产品（例如医疗植入物）的生产过程中存在分散化，一些机构或个人可能对FDA法规了解有限，因此3D打印带来了监管方面的挑战。FDA致力于确保制造商遵守道德规范的生产流程，并确保产品符合安全标准。但是，当3D打印应用于医疗现场时，监管就变得尤为困难。

报销难题

经FDA批准的3D打印脊柱植入物可能符合报销条件，但术前打印的患者解剖结构3D模型则可能无法报销。这种报销缺失可能会成为计划建立3D打印实验室的医院的一大障碍。幸运的是，医疗机构正在努力改变现状。美国医学会（AMA）近期批准了四项第三类现行程序术语（CPT）代码，这些代码涵盖了3D打印解剖模型和个性化3D打印切割或钻孔工具的报销。

3D打印的全球展望

医疗保健技术

预计全球对植入物和假肢的需求不断增长，以及医疗服务提供商降低医疗服务成本的迫切需求（见图4），将推动3D打印技术在医疗保健市场的发展。随着开发者按需生产产品，库存水平将大幅下降。例如，美国医院每年产生超过220万吨的医疗废物。其中很大一部分是未使用的医疗用品和设备。有时，这些完全可用的医疗产品甚至还没来得及拆封就被新型号取代了。

亚太地区在3D打印市场取得了巨大进展。预计未来几年，该地区在3D打印领域的支出将超过35亿美元，增速高达18.5%，远超北美和欧洲。此前，该地区对全面采用3D打印技术持谨慎态度，但随着制造企业对这项技术的兴趣日益浓厚，以及各国政府出台多项战略和政策，亚太地区的多个国家正积极营造有利于3D打印发展的环境。

中国是亚洲3D打印领域的领军者，2018年市场规模达17.5亿美元。除中国外，韩国似乎也是3D打印的巨大市场。亚太地区3D打印技术的大规模应用和发展仍蕴藏着巨大的潜力。

与 3D 打印相关的不同市场的复合年增长率

2023-2035 年医疗保健

3D打印的未来

医疗保健技术

桌面立体光刻技术有望使医疗专业人员能够开发出新的、精确且价格合理的设备和产品，从而在全球范围内提供公平的医疗保健。

随着3D打印技术的进步和各种3D打印材料的出现，医疗护理将更加个性化和精细化。3D打印为医疗保健领域的创新开启了机遇之窗，但要充分发挥这项技术的优势，仍需解决与报销、监管和安全相关的挑战。

从长远来看，3D打印将成为给当前医疗保健系统带来激动人心且意义非凡的变革的关键技术之一。