【深度好文】醫學3D打印中的關鍵技術(2)
4. 支撐的處理。這是一個非常重要的因素。像圖3 所示的模型我們必須采用無支撐的方式進行打印,因為微細血管的體積幾乎和支撐處于同一數量級,去除支撐將損壞模型的結構。現在很多3D打印機通過雙噴頭技術打印蠟或在水溶液中能溶解的支撐材料,從而將支撐的去除做到無損傷。
圖3 鐘世鎮院士血管灌注解剖標本的3D打印復制
5. 打印成本。技術/ 經濟性能是重要的綜合指標。為支撐上海市第一人民醫院母子拼肝手術,我們直接用美國 Stratasys — Connex 3 設備打印,如圖4a所示,質量固然很好,但成本高昂,只能用作科研服務,根本無法在臨床中推廣。我們對打印工藝進行改進,使模型既滿足醫學需求,成本又降低到患者可以承擔,如圖4b 所示。
圖4 兩種不同打印工藝制作的肝臟模型
結論:必須根據臨床需求專業地選擇打印設備,用一個簡單的FDM桌面機到處為醫院作打印服務的現象頗顯混亂。
四、基于3D模型的個體化植入物制作
個體化治療是21 世紀臨床醫學發展方向之一。上海交通大學和原上海第二醫科大學早在上世紀80 年代就合作開展個體化人工關節置換的臨床研究,圖5 是當時的一個成功案例:患者的兩個髖關節先天發育不正常( 圖5a );通過CT 數據圖像處理和三維建模,獲得計算機屏幕上的骨骼三維模型( 圖5b);但它還不能滿足“量體裁衣,度身定做”個體化關節的需求,為此關注到國外發展的快速原型技術。鑒于國內當時尚無這種設備,我們根據其原理,按CT 片切割塑料板,手工堆積制作了骨盆和髖關節的實體模型( 圖5c ),設計制造了個體化人工髖關節( 圖5d),手術取得了成功( 圖5e )。這項個體化關節置換技術通過產業化在國內推廣應用,獲2004 年國家科技進步獎二等獎。
圖5 3D打印模型支撐下完成的個體化人工關節置換案例
利用3D 打印模型預制接骨板的技術已成為今天臨床廣泛應用的技術。
長期以來,個體化植入物主要通過切削加工中心制造,時間長、工藝復雜。金屬直接3D打印的出現成為個體化骨科植入手術的強大推力,它能快速地制作形態復雜的植入物。圖6 是國內北京大學第三醫院和第四軍醫大學西京醫院的一些成功案例。
圖6 兩大醫院的成功案例
金屬3D打印最大的優勢是可以制作多孔結構骨科植入物,它是傳統切削加工無法實現、而又是骨科植入物迫切需要的結構,具有如下優點:
1. 可以用比較輕的重量實現三維解剖結構的幾何仿真。
2. 可以通過不同的多孔結構、孔徑、孔隙率的變化,調整植入物的剛度,改善植入物的應力遮擋效益。
3. 多孔表面通過微納米修飾技術,可以實現植入物和骨組織、甚至軟組織的長合。
4. 可以在孔隙內植骨或生成組織工程化骨,降低植入物中人工材料的用量,增加生命骨的成分,將骨科植入物設計提升到一個新的技術層面。
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