3D列印

發佈日期 : 03 October 2024

發佈者 : Ipseeta Dash

3D列印並非新概念，它起源於20世紀80年代。這項技術不僅徹底改變了製造業，也對建築、航太、醫療保健等其他產業產生了深遠影響。在醫療領域，骨科、兒科、放射科、腫瘤科等科室已廣泛應用3D列印技術製造義肢、器官移植和醫療設備。

什麼是3D列印？它如何改變世界？

醫療保健產業遭遇風暴？

3D 列印是一種積層製造方法，它按照數位藍圖，使用金屬、塑膠和陶瓷等材料，逐層創建三維物件。

雖然已有3D列印公司大規模生產這些物品，但醫療產品的按需生產正在患者護理現場進行，即所謂的即時醫療製造。這些產品根據患者的生理和個人需求量身定制生產。與傳統製造方法生產的產品相比，它們更輕、更堅固、更安全。它們的生產時間也更短——過去需要一周才能完成的產品，現在不到一天就能完成。

如今，擁有院內3D列印設備的醫院數量正穩定成長。根據美國醫院協會（AHA）統計（見圖1），美國擁有此類設備的醫院數量從2010年的5754家增加到2020年的6093家。甚至美國食品藥物管理局（FDA）也一直在定期批准使用3D列印技術製造的醫療產品。

3D列印技術

應用、趨勢與挑戰

植體和假體

3D金屬列印技術有助於生產耐用、匹配度更高、性能更佳的膝蓋、脊椎、髖關節和顱骨植入物。

利用電子束熔化（EBM）技術，借助電子束逐層熔化金屬，從而製造出精密植入物。這些植入物模擬了正常骨組織的彈性，使其能夠融入骨骼結構中。另一方面，3D列印腫瘤假體被腫瘤學家廣泛用於重建因癌症而失去功能的各種人體器官。

現成的義肢尺寸齊全，隨處可見，但要透過傳統方式訂製義肢則需要花費數千美元和大量時間。這給那些義肢尺寸不合適、需要客製化替換零件的兒童帶來了不小的影響。

2016年，萊曼·康納和愛德華多·薩爾塞多研發了萊曼的Mano-matic義肢，為那些負擔不起傳統義肢的患者提供3D列印仿生義肢。這種義肢成本更低，製造時間也更短。

數位牙科

在牙科領域，3D列印技術被用於製作假牙、手術導板、牙橋模型和隱形矯正器。此前，這些透明矯正器的生產需要結合繁瑣的手工和銑削工藝。而3D列印技術則大大加快了這個過程，因為它可以根據患者的數位化掃描資料來客製化模具。

根據通報，到 2027 年底，3D 列印牙科植體產業規模將達到近88 億美元，每年生產的牙科設備和修復體超過4.5 億件。

解剖模型

借助3D列印技術，專家可以利用核磁共振成像（MRI）和電腦斷層掃描（CT）數據，精確複製人體部位，例如3D列印的拇指，使外科醫生能夠提前為複雜的手術做好準備。例如，2016年，愛爾蘭一名兒童需要接受手術以改善前臂旋轉功能。 CT掃描和X光片顯示其骨骼畸形。但外科醫師決定列印受影響部位的3D模型進行進一步檢查。他發現，阻礙手臂旋轉的並非掃描顯示的畸形骨骼，而是其他因素。一旦找到真正的原因，手術只花了不到30分鐘就完成了，而最初計劃的截骨術則需要4個小時。患者在4週內手臂旋轉功能恢復了90%。恢復時間、疼痛和疤痕都顯著減少。

2020 年的一份報告支持使用 3D 解剖模型作為手術導板，並指出這可將手術時間縮短 60 多分鐘至 2.5 小時，每次手術可節省約3,500 美元。

醫療器材

在排名前50名的醫療器材公司中，絕大多數都在使用3D列印技術來製作醫療器材的精確原型。這項技術在醫療設備的快速部署中發揮著至關重要的作用，從而有效解決了供應鏈問題。

根據外科醫師的要求，手術刀柄、鑷子和鉗子等手術器械採用不銹鋼、尼龍、鈦合金或鎳等原料進行3D列印。這些器械正在幫助醫生以更高的效率完成更優質的手術。

德國醫療器械生產商Endocon GmbH公司正在利用金屬3D列印技術製造髖關節杯取出術的手術工具。此前，該手術使用鑿子，容易傷害組織和骨骼。 Endocon公司研發的endoCupcut工具採用不鏽鋼合金製成，可在三分鐘內更精準地沿著髖臼杯切割。

在對抗新冠肺炎疫情的鬥爭中

3D列印技術在製造各種一次性醫療設備方面的應用非常廣泛。利用3D列印技術和醫用塑料，可以生產出供醫護人員和患者使用的各種產品（見圖2）。在全球疫情期間，由於醫療機構面臨著快速推出個人防護裝備（PPE）和醫療器材的巨大壓力，醫療保健3D列印市場出現了快速成長。

俄勒岡健康與科學大學的團隊針對全球呼吸器短缺的問題，開發出可以使用 3D 列印技術快速製造的低成本呼吸機。

再生醫學

在全球範圍內，需要器官移植的患者人數不斷攀升，而可供移植的捐贈器官卻嚴重短缺。再生醫學旨在利用支架、生物材料或細胞來製造用於移植的器官，從而減少對器官捐贈者的依賴。

2019年，特拉維夫大學的科學家利用患者自身的生物材料，成功製造出首例3D心臟模型。這個微型模型的大小與兔子的心臟相當。他們相信，同樣的技術也可以用來製造更大的人類心臟。

儘管要透過 3D 生物列印和移植心臟或肝臟等複雜器官還有許多障礙需要克服，但膀胱等器官自 21 世紀初以來已經開發和移植。

精準醫療

藥房和醫院的3D列印機可以幫助藥劑師、醫生和護士根據患者的體重、年齡、生活方式和性別來調整藥物的劑量和給藥方式。 Aprecia Pharmaceuticals公司用於治療癲癇的Spritam是第一個獲得FDA批准的3D列印藥物。

患有多種疾病的患者需要在一天中的不同時間服用多種藥物，這很難堅持規律的服藥時間。 3D列印的複方藥丸包含多個藥物隔間和釋放模式，可處理不同的藥物劑量以及藥物間的相互作用，因此無需安排服藥時間和密切監測。

簡化研發流程，無需進行動物試驗

製藥業每年在研發方面投入超過550億美元。借助生物列印技術，研究人員可以複製人體器官和其他組織，從而在無需進行動物或人體實驗的情況下測試藥物療效。生物列印的組織和器官正被廣泛用於提高臨床試驗的成功率，減少對動物造成的傷害，同時簡化和加速整個研發流程。

人工智慧在3D列印中的應用

隨著人工智慧與3D列印技術的融合，企業管理製造營運的方式正在發生重大變革。從產品設計開發到製造和應用，人工智慧技術可以優化整個供應鏈。透過自動化列印流程，人工智慧可以最大限度地減少人為錯誤的發生。

FDA在監管中的作用

醫療保健領域的3D列印技術

美國食品藥物管理局（FDA）監管的是使用3D列印技術製造的產品，而非3D列印機本身。監管範圍取決於使用不同材料列印的產品類型（見圖3）、產品用途及其相關的安全風險。

由於3D列印技術在客製化產品（例如醫療植入物）的生產過程中存在分散化，一些機構或個人可能對FDA法規了解有限，因此3D列印帶來了監管方面的挑戰。 FDA致力於確保製造商遵守道德規範的生產流程，並確保產品符合安全標準。但是，當3D列印應用於醫療現場時，監管就變得尤為困難。

報銷難題

經FDA核准的3D列印脊椎植入物可能符合報銷條件，但術前列印的患者解剖結構3D模型則可能無法報銷。這種報銷缺失可能會成為計劃建立3D列印實驗室的醫院的一大障礙。幸運的是，醫療機構正在努力改變現狀。美國醫學會（AMA）近期批准了四個第三類現行程序術語（CPT）代碼，這些代碼涵蓋了3D列印解剖模型和個人化3D列印切割或鑽孔工具的報銷。

3D列印的全球展望

醫療保健技術

預計全球對植入物和義肢的需求不斷增長，以及醫療服務提供者降低醫療服務成本的迫切需求（見圖4），將推動3D列印技術在醫療保健市場的發展。隨著開發者按需生產產品，庫存水準將大幅下降。例如，美國醫院每年產生超過220萬噸的醫療廢棄物。其中很大一部分是未使用的醫療用品和設備。有時，這些完全可用的醫療產品甚至還沒來得及拆封就被新型號取代了。

亞太地區在3D列印市場取得了巨大進展。預計未來幾年，該地區在3D列印領域的支出將超過35億美元，成長高達18.5%，遠超北美和歐洲。此前，該地區對全面採用3D列印技術持謹慎態度，但隨著製造業對這項技術的興趣日益濃厚，以及各國政府出台多項戰略和政策，亞太地區的多個國家正積極營造有利於3D列印發展的環境。

中國是亞洲3D列印領域的領導者，2018年市場規模達17.5億美元。除中國外，韓國似乎也是3D列印的龐大市場。亞太地區3D列印技術的大規模應用與發展仍蘊藏著巨大的潛力。

與 3D 列印相關的不同市場的複合年增長率

2023-2035 年醫療保健

3D列印的未來

醫療保健技術

桌面立體光刻技術有望使醫療專業人員能夠開發出新的、精確且價格合理的設備和產品，從而在全球範圍內提供公平的醫療保健。

隨著3D列印技術的進步和各種3D列印材料的出現，醫療護理將更加個人化和精細化。 3D列印為醫療保健領域的創新開啟了機會之窗，但要充分發揮這項技術的優勢，仍需解決與報銷、監管和安全相關的挑戰。

從長遠來看，3D列印將成為為當前醫療保健系統帶來令人興奮且意義非凡的變革的關鍵技術之一。