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3D打印在医疗领域的应用

更新时间: 2019-09-17 16:48:17  查看次数: 27    

2012年英国《经济学人》杂志曾发表封面故事重点介绍3D打印技术,3D打印是指运用计算机软件设计出立体加工样式,通过特定的成型设备,用液化、粉末化、丝化的固体材料逐层“打印”出产品。3D打印是新型的制造工艺,与传统的“减材制造”不同,3D打印技术属于“增材制造”,无需原胚和磨具,就能直接根据计算机辅助设计建模的图形,通过逐层增加材料的方法生产不同三维结构的物体,这种模式的工艺简化了产品制造程序,有缩短产品研发周期,提高效率并降低成本的优点。随着3D打印技术的不断成熟,3D打印被广泛地运用于多个领域,生物医疗领域可应用于生物材料、皮肤、血管甚至是器官的制作,最近用于制造骨科内植物也是越来越热门,但对于其相关机械性能以及是否适合用来制造内植物还有很多争议,本部分拟利用选区激光熔化技术,以钛合金粉末为材料制造具有不同孔径孔隙率多孔涂层的钛合金部件,评估其可行性、精确性和相关机械性能。



内植物表面处理方式主要分为:物理修饰,化学改性,生物改性以及两者相互结合的方式等几大类。物理修饰是指通过各种工艺使假体表面粗糙化,制作出各种级别大小和形状的微孔;化学修饰是利用生物化学方法改变内植物材料表面的化学成分组成,模拟天然骨界面;生物改性是在材料表面加载生物活性分子或药物,使内植物既有机械上的支撑固定作用,同时又可以缓慢释放生物活性物质,以利于细胞粘附和向成骨分化。各种工艺均各有利弊,物理修饰方法应用相对广泛,有些业已应用于临床,但共同的缺陷是制作的微孔大小、形状、分布不均,且无法精确控制,因此对于何种微孔参数相对最有利于促进骨整合,也是争议较多,工艺的不足限制了这方面研究的发展。3D打印技术的出现为这一问题的解决带来了契机,本研究拟利用利用3D金属打印技术,制作具有不同孔径,孔隙率的钛合金假体表面多孔涂层,检验其力学性能是否满足内植入物要求;以多孔涂层为支架材料,培养细胞,分析其对细胞生物学行为的影响;将具有不同孔径,孔隙率的钛合金假体植入新西兰大白兔股骨髓腔,探讨其对骨整合的影响及机制,为确定最有利于骨整合的微孔参数,改进假体设计提供参考。



在手术前根据患者的CT或核磁共振数据进行三维建模,然后通过3d打印机将模型打印出来,就得到一个医疗模型。3d打印的医疗模型最主要的作用是让医生在手术前可以直观的看到手术部位的三维结构,有助于医生规划手术方案。尤其针对复杂手术,有助于降低手术风险,提高手术的成功率。手术导板是医生在手术中辅助手术的重要工具,3d打印技术尤其适合制造异型或个性化的导板。

从骨科手术到心脏手术再到肝脏手术……越来越多的手术开始借助3d打印的医疗模型。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。术前为了能精准制定手术方案,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打印模型并置于最佳解剖位置,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,提高了手术精准性,有效降低了手术风险。

在3d打印手术导板的精准设计是手术取得成功的重要保证。上海逸动医学科技有限公司在骨科手术导板领域运用国际上领先的SSM_Knee®技术,从多张负重位X光片数据进行膝关节三维统计学建模(Statistical Shape Modeling,SSM)及三维力线测量分析,在电脑上模拟截骨平面、人工全膝关节置换术手术置换全过程,虚拟化设计手术中实施截骨的导向导板并使用医用材料进行3d打印。手术中医生只需要将导板贴附于关节表面然后实施定位截骨即可,准确性高于传统方法,避免了人为因素,手术操作简单,不破坏髓腔。

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