得益于精細度高、成品堅固和可復制復雜幾何模型等優(yōu)勢，3D打印技術(shù)逐漸應用于越來越多的行業(yè)領域。尤其是近年來，工業(yè)級3D打印設備在航空航天、汽車制造、醫(yī)療衛(wèi)生以及藝術(shù)品復制等領域展現(xiàn)了良好的發(fā)展態(tài)勢，3D打印的熱潮席卷全球，與3D打印相關打印設備、材料與技術(shù)層出不窮。其中，醫(yī)療和外科中心對3D打印的需求占市場份額的三分之二。
據(jù)市場資訊機構(gòu)Allied Market Research數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2015年全球3D打印醫(yī)療保健市場的銷售額為5.79億美元，預計2020年將增長至23.638億美元，而2015年至2020年，全球3D打印醫(yī)療保健市場的平均增長率預計將達26.6%，3D打印技術(shù)在醫(yī)療行業(yè)的應用潛力十足。本期特別報道欄目將為您盤點2018上半年3D打印技術(shù)的最新發(fā)展以及在醫(yī)療領域的部分應用案例，供讀者了解參考。
強大助力——醫(yī)療輔助部件
3D 打印截骨工具輔助膝關節(jié)置換手術(shù)
今年年初，惠州市第一人民醫(yī)院采取WRIGHT 3D打印技術(shù)定制截骨工具，成功實施了一例膝關節(jié)置換手術(shù)。據(jù)了解，接受此次手術(shù)的患者患有右膝關節(jié)骨性關節(jié)炎，需進行膝關節(jié)置換手術(shù)。據(jù)主刀醫(yī)生介紹，對于膝關節(jié)置換手術(shù)，手術(shù)前的策劃很重要，要根據(jù)病人原本的解剖機構(gòu)去設計各種角度，比如股骨外翻角度、旋轉(zhuǎn)角度、脛骨的后傾角度旋轉(zhuǎn)等。而本次采用WRIGHT 3D打印技術(shù)，首先就要將患者的CT數(shù)據(jù)傳送到供應服務的醫(yī)療3D打印技術(shù)公司，截骨的度數(shù)、矯正畸形的程度，再使用高密度尼龍材料，打印出符合公司通過計算機策劃計算出的各種患者骨骼形狀的3D打印截骨工具。
據(jù)了解，借助3D截骨工具，此次手術(shù)時間較以往同類手術(shù)平均時間減少了約40分鐘，而且膝關節(jié)假體也與該名患者的真骨高度貼合。手術(shù)過程十分順利，約一天后，該患者已可嘗試下地行走。
利用3D打印模型完成腎移植手術(shù)
最近，一個3D打印的腎臟手術(shù)模型幫助英國北愛爾蘭Belfast醫(yī)院的外科醫(yī)生完成了一個非常復雜的手術(shù)。來自Belfast的22歲女性波琳. 芬頓患有晚期腎病，完全依靠透析治療。醫(yī)生發(fā)現(xiàn)波琳父親是一個合適的腎臟捐贈者，但在其父親要捐獻的腎臟上發(fā)現(xiàn)一個潛在的癌性囊腫。在此情況下，醫(yī)生必須確保囊腫的精確完整切除以獲得最大的健康移植組織。
考慮到移植準備的復雜性，外科醫(yī)生與當?shù)氐尼t(yī)療3D打印公司axial3D合作。axial3D使用CT掃描成像構(gòu)建威廉芬頓腎的精確1：1 模型。然后使用粘合劑噴射技術(shù)在axial3D 實驗室中對模型進行3D打印。Belfast 醫(yī)院的外科醫(yī)生計劃并排練了該模型的手術(shù)，其中包含了囊腫的精確尺寸和位置，并考慮了所有的并發(fā)癥。而這種洞察力在標準的術(shù)前影像檢查中是無法實現(xiàn)的。負責此次手術(shù)的團隊表示，腎臟模型對于他們規(guī)劃手術(shù)的最佳步驟是有利的。最終，囊腫去除和腎臟移植成功，而波琳也重獲新生。
3D打印技術(shù)首次造出類腦組織
美國《趣味科學》網(wǎng)站報道稱，英國科學家近日使用新的3D打印技術(shù)，首次打印出像人腦一樣柔軟的類腦組織，這向最終3D 打印出功能齊備的完整大腦邁出重要一步。以往，只有相對硬一些的材料可被3D打印出來，而大腦、肺等軟組織，一般很難通過3D打印技術(shù)獲得。這是因為3D打印過程涉及逐層建造物體，下層要能支撐不斷增長的結(jié)構(gòu)的重量，而打印非常柔軟的材料，則容易出現(xiàn)底層材料崩塌問題。
此次，研究人員使用一種新型復合水凝膠（包含水溶性合成聚乙烯醇以及植物凝膠兩種成分），打印出三維支架，然后用膠原蛋白包裹打印出結(jié)構(gòu)，并用人類細胞進行填充，得到了類腦軟組織。為解決打印軟組織難這一問題，研究人員在打印過程中進行了降溫處理。
據(jù)悉，該技術(shù)目前還存在不少局限性，比如，僅能制造出類腦組織的小樣本，而非整個大腦。研究人員認為，要使用3D打印技術(shù)獲得功能齊備的復雜人類器官（大腦或肺等），可能還要等數(shù)十年時間，但該技術(shù)獲得的組織可幫助科學家研究大腦或肺在不同環(huán)境下（如腦外傷等）的行為。
開發(fā)用于組織重建的生物3D打印聚合物
近期，法國醫(yī)療設備公司Gecko Biomedical從“未來投資計劃”（PIA）處獲得了600萬歐元（合740萬美元）的資金。這筆資金將主要用于促進用于組織重建和周圍神經(jīng)治療的專用生物3D打印聚合物的開發(fā)和工業(yè)化。這家總部位于巴黎的公司目前正在開發(fā)生物3D打印合成聚合物的“獨家平臺”，據(jù)說這可以實現(xiàn)組織重建。同時，具有生物相容性和生物可吸收性的材料被設計為在手術(shù)期間粘附到內(nèi)部組織，以幫助患者組織的自然重建。
Gecko Biomedical將3D打印材料比作一種“屏障或密封劑”，可以在手術(shù)過程中和手術(shù)后輔助組織重建。此外，該公司表示，組織植入物被設計為由特定類型的光“激活”，并且可以以高分辨率進行3D打印以獲得最佳效率。
該公司解釋說，其創(chuàng)新研究的目標是通過使用“3D打印的微導管”和生物相容性粘合劑來重建周圍神經(jīng)，這種粘合劑可以替代傳統(tǒng)的縫合線。Gecko Biomedical公司首席執(zhí)行官Christophe Bancel表示：“我們還打算通過我們的3D打印平臺的工業(yè)和臨床開發(fā)加快我們的戰(zhàn)略第二階段，通過利用我們的聚合物作生物醫(yī)學樹脂，以及通過最先進的3D打印技術(shù)，優(yōu)化國有醫(yī)療機構(gòu)植入物的生物可吸收和高分辨率特性。”
完美結(jié)合——醫(yī)療植入物
TU Delft推出獨特3D打印髖關節(jié)植入物
植入物松動是影響醫(yī)療裝置長期有效性的問題之一，尤其是對于臀部區(qū)域的裝置。有預測稱，到2020年全世界髖關節(jié)假體的數(shù)量預計將達250萬個/年，而按照目前的技術(shù)，約10％的假體在術(shù)后10年內(nèi)會失去固定作用。由Amir Zadpoor領導的TU Delft團隊開始通過3D打印植入物來解決這個問題。
根據(jù)Zapdoor的說法，“髖關節(jié)植入物行走時，假體會受到各種力量的作用，假體一側(cè)的壓力太大，可能會脫離骨頭，這是非常不可取的。3D打印的混合假體髖關節(jié)植入物結(jié)合了一種材料，當拉伸時變厚，而另一側(cè)變薄。這種雙泊松比組合將提高植入物周圍骨骼生長的機會，這意味著它們將被更安全地固定到位。”
TU Delft團隊的實驗對模擬骨樣材料（具有骨的機械特性的特殊泡沫）所包圍的植入物進行垂直壓縮，該力類似于施加在人體植入物上的應力，由于這種壓力，新的植入物膨脹，導致兩側(cè)的骨周圍受到壓迫。當植入物最終用于人體時，正是這種壓縮確保改進的植入物固定。據(jù)悉，該研究結(jié)果已經(jīng)發(fā)表在英國皇家化學學會同行評議期刊
“Materials Horizons”上。
3D打印鈦網(wǎng)植入物促進骨再生
近日，來自哈佛Wyss 研究所、Julius Wolff研究所、柏林- 勃蘭登堡再生療法中心和Charité肌骨胳外科中心的合作研究團隊聚集在一起，研究3D打印鈦網(wǎng)支架在植入物中的益處。最近在《科學轉(zhuǎn)化醫(yī)學》雜志上發(fā)表的臨床前研究報告表示，3D打印的支架確實有助于優(yōu)化患者的骨再生。
在醫(yī)療領域內(nèi)，大型骨缺損或損傷的治療仍然是一個棘手的領域。但來自Charité肌肉骨骼外科中心的研究小組已經(jīng)證明，能夠通過設計和制造定制的3D 打印支架來治療大的骨缺損。
這種方法是通過使用患者骨骼的CT掃描，醫(yī)療團隊生成缺陷骨骼的3D模型。這種3D打印結(jié)構(gòu)對于促進骨再生至關重要，因為它允許醫(yī)生用病人的骨組織、生長因子和骨替代材料填充植入物。到目前為止，Charité肌肉骨胳外科中心已經(jīng)將定制的3D打印骨支架植入到共19名患者中，所有患者都展示出良好的治愈希望。目前，合作團隊正在設計和生產(chǎn)使用3D打印技術(shù)的軟質(zhì)、機械生物學優(yōu)化的鈦網(wǎng)支架。該團隊表示，它的技術(shù)甚至可以用來治療脊柱、口腔和頜面部缺陷。
德國EIT新興3D打印植入物獲FDA批準
Emerging Implant Technologies（EIT）是第一家在骨科領域?qū)Ｗ⒂谑褂迷霾闹圃熘踩胛锏尼t(yī)療器械制造商，專門用3D打印植入物治療脊柱疾病，技術(shù)在業(yè)內(nèi)十分突出。EIT的專長是其Cellular Titanium技術(shù)，這是一種多孔鈦材料，其結(jié)構(gòu)接近于皮質(zhì)和松質(zhì)骨，這種設計有利于天然骨的再生和結(jié)合，對醫(yī)療領域和需要植入物治療的患者有重大影響。
在去年，Celluluar Titanium脊柱植入物就獲得了美國食品和藥物管理局（FDA）批準，如今EIT再次獲得FDA批準， 據(jù)了解此次擴大EIT Cellular Titanium應用后可用于多個連續(xù)的頸椎水平（C2到T1）。通過適應最大化的椎體終板接觸和矢狀平衡恢復，宮頸網(wǎng)架的設計有助于頸椎多層融合的手術(shù)和生物力學挑戰(zhàn)。EIT公司專有的3D打印工藝支持植入物的融合潛力，包括印后蝕刻程序，并允許使用傳統(tǒng)制造技術(shù)無法制造的獨特多孔結(jié)構(gòu)。
眾所周知，脊椎病一直難以治療，這就是EIT所提供的技術(shù)令人興奮的原因。該公司的Cellular Titanium植入物不僅可以代替，而且有助于重新生長骨骼，從而導致患者更快、更完整的愈合。此外，EIT 還有更多的創(chuàng)新產(chǎn)品進入市場。今年第二季度，公司計劃在其產(chǎn)品組合中增加一個橫向腰椎籠，并在第四季度增加一個完全3D打印的橫向擴展籠。
Extremiti3D獲20萬美元投資用于開發(fā)3D打印假肢插座
近期，南卡羅來納州的一家專門從事3D打印假肢插座和化妝品覆蓋的公司Extremiti3D LLC 獲得了南卡羅來納州研究機構(gòu)（SCRA）的投資。據(jù)悉，SCRA 是一家促進南卡羅萊納州創(chuàng)新經(jīng)濟發(fā)展的公共非營利性公司。
Extremiti3D的Johns Island與認證的假肢專業(yè)人員合作，制造出3D打印假體插座和化妝品覆蓋物，可以在短時間內(nèi)生產(chǎn)，比傳統(tǒng)制造的產(chǎn)品更舒適。3D掃描用于掃描患者的解剖結(jié)構(gòu)，而3D打印則用于制造定制產(chǎn)品。SCRA執(zhí)行董事Bob Quinn說：“Extremiti 3D正在利用先進的制造技術(shù)為截肢者提供定制產(chǎn)品。他們正在做的工作將對他們的客戶產(chǎn)生巨大的影響。”
那么，為什么這些3D打印假體插座和化妝品覆蓋物被認為如此有價值？據(jù)悉，在美國150萬下肢截肢者中，約四分之三的人使用人造石膏成形和熱成形加工方法制造人造義齒窩。而根據(jù)Extremiti3D解釋，這些過程是“過時的、慢的、昂貴的、不精確的”。另一個是由部分自動化CAD/CAM雕刻解決方案捏造的。雖然更好，但是這個過程往往會導致不合適的結(jié)果。
Extremiti 3D的解決方案由三維掃描和打印工藝組成，將單個假體制造時間減少了80％，成本降低了57％，并且生產(chǎn)出更加舒適的假體。根據(jù)Extremiti3D網(wǎng)站宣稱，碳纖維增強材料被用于3D打印假體，可以在獲得3D掃描數(shù)據(jù)的48小時內(nèi)制造和發(fā)貨。該公司的保護性假肢蓋也可用于各種膚色或圖案。
Extremiti3D的服務業(yè)務計劃將在2018年第三季度完成，公司有信心取得成功。
多面助攻——牙科和藥物
3D打印牙齒要來了
從去年年底到今年上半年，北京大學口腔醫(yī)院唐志輝教授主導的" 增材制造和激光制造" 重點專項項目" 增材制造個性化牙種植體與頜面骨、顳下頜關節(jié)修復體" 的關鍵技術(shù)研發(fā)取得了突破性的進展。據(jù)了解，通過3D打印技術(shù)，這個項目在實踐中不僅可以大幅降低治療周期以及成本，還可以減少患者的疼痛感。另外，該項目目前已經(jīng)完成動物實驗，不久也將進入到臨床試驗。
事實上，牙種植技術(shù)雖然很適用于牙齒修復領域，但目前我國對這項技術(shù)的應用仍然不夠普及。據(jù)悉，2016年全球牙種植體使用量約為1800萬顆，而我國僅占80萬顆，比例不足5%。據(jù)業(yè)內(nèi)相關人士透露，之所以會有這種現(xiàn)象，首先是因為牙種植技術(shù)復雜。此外，還有一個重要的原因-- 牙種植體市場長期被國外產(chǎn)品壟斷，價格高昂。目前，一顆種植牙的手術(shù)費、種植體費用以及牙冠費用匯總約1.6萬元。其中，占比最高的為種植體的價格。但由于3D打印技術(shù)在醫(yī)療上的領域越來越廣泛，這種情況將有所好轉(zhuǎn)。
對此，唐志輝教授介紹說，3D打印設備將會打印出與原來的牙齒一樣的牙冠和牙根。由于這顆牙齒與原來的牙齒一樣，因此，患者在種牙時既不需要額外植骨，也不需要再給牙槽骨打洞，制備植牙孔。這樣一來，患者將不僅能減輕創(chuàng)傷程度、縮短修復時間，還可以大大降低費用。據(jù)估計，種一顆私人訂制的“3D打印牙”費用在萬元以內(nèi)。
第一個獲FDA 批準的3D打印藥物正式上市
日前，Aprecia制藥公司宣布之前獲得美國食品藥物監(jiān)督管理局（FDA）批準的產(chǎn)品SPRITAM（左乙拉西坦）片劑正式上市，這是史上第一個FDA批準的使用3D打印技術(shù)制造的處方藥產(chǎn)品。
Levetiracetem（左乙拉西坦）是一種口服藥物，可作為各種癲癇疾病的兒童和成人處方治療的一部分。該藥片只需一小口水就可以瞬間溶解，大大提升了服藥的舒適度，尤其是在患者需要一次服用很大劑量藥物的時候。俄亥俄州辛辛那提Riverhills神經(jīng)科學中心的神經(jīng)學家Marvin H. Rorick III博士表示：“有的癲癇病人有時可能會出現(xiàn)吞咽障礙，或者有的孩子在日常中不愿意按時服藥等，對于這些患者來說，堅持可能是一個挑戰(zhàn)。這種能夠快速溶解的藥物能夠幫助老人和兒童更加輕松地管理這種疾病。”
Aprecia公司曾表示，藥片生產(chǎn)由于使用了ZipDose技術(shù)， 高達1000毫克劑量的藥片只需一口果汁就可以輕松咽下。有業(yè)內(nèi)人士表示，3D打印藥物實際上說的是一種制劑加工技術(shù)，是在傳統(tǒng)制藥采用的壓片法上進行了創(chuàng)新，對于藥物配方并沒有什么改變。除上述癲癇癥治療藥物外，Aprecia公司計劃推出一系列藥物，用于治療中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病。
僅10分鐘便可生產(chǎn)定制藥物的3D打印機問世
去年底，羅德島州的初創(chuàng)公司Vitae Industries開發(fā)了一種可以打印制藥丸和糖果的3D打印機——AutoCompounder。據(jù)了解， 這種打印機可以在傳統(tǒng)生產(chǎn)方式的三分之一時間內(nèi)進行膠囊填充，整個打印過程只需要10分鐘左右，而且操作結(jié)束后機器可自行進行清理。不僅如此，通過這種打印機，藥劑師將能夠打印“多藥丸”，即將多種藥物組合在一個藥丸中，使患者服用藥物更簡單。
雖然為個體患者制定個性化藥物比標準劑量藥丸的大規(guī)模生產(chǎn)更耗時，但據(jù)稱，AutoCompounder 的速度足以使個性化生產(chǎn)成為可行途徑。目前，這家公司已經(jīng)吸引了一批投資者的注意，迄今為止，Vitae Industries已經(jīng)收到了包括BoxGroup、Techstars和Lerer Hippeau Ventures 在內(nèi)的約200萬美元的投資。顯然，這些投資者看到了AutoCompounder的盈利能力。目前，Vitae Industries 公司正在測試其原型藥，并計劃將在今年進行大規(guī)模生產(chǎn)。
結(jié)語
通過以上盤點，我們了解了近期醫(yī)用3D打印技術(shù)的部分發(fā)展情況。由于3D打印在技術(shù)上的優(yōu)勢契合了醫(yī)療行業(yè)對儀器和器官等的需求，所以近年來，3D打印行業(yè)在醫(yī)療行業(yè)擁有越來越深入的應用。然而3D打印材料、設備及技術(shù)在一定程度上制約了3D打印技術(shù)在醫(yī)療行業(yè)的應用，因此只有突破制約，才能促使醫(yī)療3D打印行業(yè)更好地發(fā)展。
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