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3D打印在医疗行业中的5大应用

2021-09-22 阅读 3702

1. 外科学习工具

 

虽然医疗行业中3D打印的重点主要集中在患者使用的植入物和医疗设备上,但最大的应用领域之一集中在解剖复制品上。从历史上看,临床培训、教育和设备测试都依赖于使用动物模型、人类尸体和人体模型来获得临床模拟的动手经验但这些存在一些缺陷,包括供应有限、处理和储存费用高、模型内缺乏病理学、与人体解剖结构不一致以及无法准确表示活体人体的组织特征。



医生们现在正在使用3D打印从患者扫描数据生成的模型来改进疾病诊断,阐明治疗决策计划,在某些情况下,甚至在实际治疗之前实施选定的手术干预。这些模型有助于医生了解难以可视化的患者解剖结构,尤其是在使用微创技术时。模型还有助于精确确定医疗设备的尺寸。医生还可以使用这些模型向患者及其家属解释即将进行的手术,并向临床团队传达手术步骤。

 

为了帮助降低成本,一些机构已经开发了一些程序,外科医生可以在低成本人体模型上练习和计划手术,这些人体模型移植有患者特定的3D打印模型。再加上3D打印技术能够在一个零件中适用硬材料和软材料,允许精确复制人体组织、钙化和骨骼,这意味着外科医生现在可以更好地了解手术需要如何进行,直到患者解剖结构不同部位的触感。

 

3D打印技术

最适合的应用

FDM

FDM非常适合不需要高度细节或包含复杂特征的几何基本手术模型。有多种颜色可供选择打印层线将可见。

SLA

最适合具有非常光滑表面光洁度的较小型号。能够产生非常复杂的细节和特征。颜色是有限的。

SLS

SLS可以生产具有非常复杂的几何形状和良好强度的零件。零件通常白色,具有类似哑光的粒状表面光洁度非常适合复制骨骼。

材料喷射

高细节、多色、多材料打印的最佳解决方案。也可生产透明零件。表面光洁度非常平滑,模型尺寸可以比FDM或SLA大。比其他3D打印技术更昂贵。

 

2. 手术导向器和工具

 

就像制造业中使用钻模来确保将孔放置在准确的位置一样,医生也使用导向器和工具来协助手术。历史上,手术导向器和工具是由钛或铝制成的通用设备。通过实施3D打印,医生能够创建完全遵循患者独特解剖结构的导向器,精确定位手术中使用的钻头或其他器械。3D打印的导向器和工具用于使修复治疗(螺钉、钢板和植入物)的放置更加精确,从而获得更好的术后效果。



3D打印技术

最适合的应用

FDM

多种塑料可供选择,有些还可消毒。FDM的强度较低,但非常适合于迭代、低成本的原型设计,以优化工具或导轨的设计。

SLS

用于制造与注塑尼龙强度相似的功能导轨和工具。尼龙PA12也是可消毒的

 

3. 植入物

 

3D打印能够在外科植入物表面生成精细的网格或晶格结构,可以促进更好的骨整合并降低排斥率。钛和钴铬合金等生物相容性材料可用于颌面外科(颌面和面部)和整形外科。与传统产品相比,3D打印所产生的优越表面几何形状可将植入物存活率提高2倍。这些3D打印产品的孔隙率加上高水平的定制和传统医疗材料制造能力,使得3D打印植入物成为AM医疗行业增长最快的部分之一。



 

3D打印技术

最适合的应用

金属打印

非常高的精度和强度,能够生成非常复杂的几何图形,精确匹配患者的解剖轮廓。使用普通医用金属(钛和铝)。可以打印多孔表面和复杂的支架。

 

4. 假肢

 

通常,传统的制造技术和材料用于生产功能性假肢的结构部分。增材制造通常在接口部分实施,方法是生成与用户解剖结构完美契合的复杂轮廓,从而提高舒适度和贴合度。AM 还应用于假肢的外表面,以产生逼真的有机外壳,隐藏假肢的机械性质。这也允许佩戴者根据他们喜欢的任何设计或风格完全定制他们的假肢。

 

仅在美国,每年就有近200000例截肢手术,假肢价格在5000-50000美元之间,更换或改装耗时昂贵。因为假肢是个人物品,每一件都必须是定制的或适合佩戴者的需要。3D打印技术现在经常被用于生产与用户解剖结构完全匹配的特定于患者的假肢部件。3D打印技术已被用于生产各种各样的产品,从舒适贴合用户的假肢连接到复杂的、高度定制的癌症患者面部假肢。



 

3D打印也被用于制造低成本的假肢。通常,传统的制造技术和材料用于生产功能性假肢的结构部分。3D打印通常是在界面部分实现的,其产生的复杂轮廓非常适合用户的解剖结构,从而提高舒适度和贴合度。3D打印还应用于假肢的外表面,以产生逼真的有机外壳,隐藏假肢的机械性质。这也允许佩戴者根据自己喜欢的设计或风格对假肢进行全面定制。

 

3D打印技术

最适合的应用

FDM

简单几何形状的低成本解决方案。非常各向异性,不适合大多数功能应用。

SLA

非常高的细节水平。零件易碎,因此最适合美学应用。零件表面光滑,可以涂漆。

SLS

良好的强度和高水平的准确性使SLS经常在功能性假肢的接口部分实施。与用户解剖结构接触的配合面形状对于舒适性和功能性非常重要。

材料喷射

与SLA类似,最适合美学应用。允许零件以全彩印刷,细节层次高。

金属印刷

零件具有良好的强度,可以生产复杂的设计。通常非常昂贵。

 

5. 助听器

 

令许多人惊讶的是,助听器是 AM 持续发展的最大成功案例之一。现在有超过 10,000,000 人佩戴 3D 打印助听器,全球 97% 的助听器现在是使用 AM 制造的。与传统制造相比,增材制造技术不仅显着降低了定制助听器的成本,而且生产助听器所需的复杂有机表面的能力降低了因不合身而导致的退货率从 40% 降至 10%。



 

令许多人惊讶的是,助听器是3D打印持续发展的最大成功案例之一。现在有超过10000000人佩戴3D打印助听器,全球97%的助听器都是使用3D打印制作的。与传统制造相比,3D打印技术不仅大大降低了定制助听器的成本,而且由于生产助听器所需的复杂有机表面的能力,使因不合适导致的退货率从40%降至10%。

 

3D打印技术

最适合的应用

SLA

绝大多数助听器都是使用SLA生产的,其生产工艺在工业上已经非常成熟。高水平的细节可实现出色的定制,光滑的表面可提高舒适度和贴合度。

 

限制

 

3D打印应用于医疗行业时的一些限制:

 

l 虽然与传统的制造方法相比,打印零件的时间通常要快得多,但转换扫描数据以生成可打印的STL文件仍然需要大量的时间。因此,对于更紧急的情况,如创伤手术,普通植入物或医疗设备可能是更理想的解决方案。

 

l 台式FDM或SLA机器的价格通常在1000美元至5000美元之间,而高端3D打印机(SLS、材料喷射和金属打印)的价格则在20万美元至85万美元之间。3D打印的材料目前也非常昂贵。目前,对于这些技术,最佳的解决方案是让产品在外制造

 

l 对每种3D打印技术的充分理解至关重要需要在预期输出的背景下确定。每种技术都有优缺点,零件加工的价格差异可能很大。

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