随着医疗行业的迅速发展，3D打印的附加值被不断地认识和广泛地应用。3D打印目前应用于新的手术切割、钻孔导板、矫形、假体植入物的开发，以及患者特异性的骨骼、器官和血管替代品的打印。

Wohlers在2015年的一项调查中显示，3D打印的收入中有13％来自与医疗行业相关的公司。 由美国食品和药物管理局（FDA）批准的20多种不同移植体，包括颅骨植入物、髋关节、膝关节和脊柱植入物，均采用各种3D打印技术生产。此外，到目前为止，已经通过3D打印生产了超过100,000个髋臼（髋关节杯）植入物，其中约50,000个植入患者体内。

所有这些将持续增强3D打印在医疗行业中，发挥的重要作用以及具有里程碑的意义，其中包括可以针对每个人的定制制造产品。这提高了医务人员对病人的理解，允许医护人员在与产品交互过程中，针对性地设计手术来提高患者的舒适度。

本文将讨论根据医疗行业的需求，3D打印是如何在多种应用场景中成为最佳技术路径的。也将讨论其在公共医疗行业应用的局限性以及我们必须克服这个行业局限性所造成的进一步的影响。最后，利用一系列的案例研究,来呈现其在医疗行业的应用。

3D打印医学模型

来源：Stratasys

个性化医疗的本质不是制造成千上万的相同的组件，这意味着3D打印在医疗行业要根据病人具体的生理结构来定制修复方法和创建矫正装置，从而提出有效的解决方案。

在过去,传统制造业可能难以创建复杂的有机形状，目前3D打印技术能够为潜在的无限的设计提供可能。多孔金属部件轮廓的薄架完美遵循骨骼结构规律，为许多之前不可能的应用和设计打开了大门，尤其是包括面部骨骼在内的对形状、尺寸、精确度要求高的部位。

无论是自己生产还是外包，传统医疗器械的制造和交付时间都可能很长并且昂贵。而提供提供快速创建和迭代设计正是3D打印的重要标志之一。任何医疗设备成功的关键部分是医生和患者的反馈，以及这些设计改进的速度。现在可以在几个小时之内，根据外科医生的直接反馈来迭代医疗工具的设计，外科医生将使用它打印一个新的评估原型，使用逼真的原型进行更有效地沟通，最终缩短上市时间。

除了能够自定义创建复杂的组件，3D打印最适合小批量生产定制化的产品，这意味着成本下降而有效性增强，生产具有个体性质的组件不再需要昂贵的加工费用和过程，还可以减少浪费并进一步降低成本。

一些3D技术现在也可以在单一打印过程中用使用到不同的材料，这意味着可以在单一模型的打印过程中，通过不同的材质展现出骨骼、血管、肌肉等不同组织器官。在进行手术或是教学时，这可以促进医生和患者之间的交流。

可消毒性是应用于医疗行业的一些零件的材料的重要性质。一些最常见的3D打印材料使用的常见的可消毒方法如下表所示：

直接从患者特定部位扫描生成数据的能力是大多数传统制造技术不具有的明显优势。通过CT、MRI、激光3D扫描等方法，可以快速获得病人的生理信息并储存到3D文件。这些文件基本上编码每个患者的特定解剖或病理特征，然后可以由3D打印机制造。

通过扫描患者收集可用于产生3D打印解剖模型的数据

CT（Computed Tomography，计算机断层扫描）通过X射线投影通过计算重建一个横截面图像。CT是用于骨骼成像的数据收集和成像，然后用于生产像骨骼硬组织结构医学模型的方法。CT扫描广泛应用于急诊室，因为扫描时间少于5分钟。由于患者接触少量的辐射，CT扫描有时候可能是不合适的。

MRI（Magnetic ResonanceImaging，磁共振成像）利用非常强大的磁体来对准体内的原子核，以及利用原子共振产生的可变磁场，这种现象称为核磁共振。原子核产生自己的旋转磁场，通过扫描仪检测并用于图像的创建。与CT扫描相比，MRI扫描的正常组织和异常组织之间的差异性通常更清晰。通常MRI扫描需要更长时间才能完成。

激光3D扫描是针对扫描对象的表面，捕获表示为点集合（点云）的数据，然后将其用于生成三维表面。这使得部分很难精确测量的零件可以通过三维模型、数字化和准确地复制。与CT或MRI扫描不同，激光扫描不显示被扫描物体的内部特征。此外，激光扫描仪的尺寸范围很广，具有手持变化，提供了优于CT和MRI扫描仪的工业化生产的优势。

尽管3D打印在医疗行业中的应用重点是植入物和其他医疗设备，但是现阶段应用案例最多的是解剖复制品。过去，临床培训、教育和设备测试依赖于动物模型、人体尸体、人体模特等。但这些来源供应有限，处理和储存费用高，模型中缺乏病理学，与人体解剖学不一致，无法准确地表示活的人的组织特征。

患者心脏的3D打印模型

医生现在正在使用由病人扫描数据生成的3D模型，进行疾病诊断、治疗计划阐明和决策。一方面，这些模型帮助医生了解一些难以想象的解剖结构，另一方面，医生还可以使用这些模型来向即将进行手术的患者及其家属进行解释，增强医患双方的理解。

上文已经提到过，3D打印技术能够在单一模型制作中实现硬质材料和软质材料的结合，允许人体组织的准确复制，这甚至意味着外科医生现在不仅可以从视觉上，还可以从触觉上体会患者的解剖结构。

就像钻头模具用于工业制造，以确保孔位于正确的位置一样，医生利用手术导板来协助手术。从历史上看，手术导板通用是由钛或铝制成的装置。通过3D打印的实施，医生能够创建精确跟踪患者独特解剖结构的导板，准确定位手术中不同操作的位置，让螺钉，植入物的放置更精确，从而拥有更好的术后结果。

牙科手术导板

来源：Formlabs

仅仅在埃及，在2014年一年中，就有23个膝关节定制手术导板， 112多个颅面手术导板，9种不同的钛合金Ti-6Al-4V颅面植入物的案例。

3D打印在外科移植体表面产生细网格或晶格结构的能力可以更好地促进骨骼的整合，减少排斥率。生物相容性材料，如钛、钴铬合金可用于颌面（颌面和脸部）手术和骨科手术。与传统产品相比，由3D打印生产的具有优越的几何表面的移植体能将移植体存活率提高2倍。这些3D打印产品的孔隙度以及高水平的定制和传统医疗材料制造的能力相结合，使得3D打印移植体成为3D打印医疗行业增长最快的领域之一。

3D打印髋关节

来源：3DCenter

金属3D打印非常适合高精度和高强度的植入物打印，能够生成与病人解剖结构的轮廓精确匹配的非常复杂的几何形状。常见的金属3D打印材料是钛合金。金属3D打印还可以打印多孔复杂结构。

仅在美国，每年即将进行近20万次截肢，假肢价格在5,000-500,000美元的范围内，更换假肢可能会耗费时间并且费用昂贵。因为假肢等属于个人物品，所以每个人必须是定制适合于佩戴者需要的产品。3D打印技术现在经常用于生产与患者解剖结构完美匹配的假肢的特定部件。一系列复杂几何形状材料的生产能力，使得3D打印适应于假肢与患者接触的位置。3D打印技术已被用于生产适合于患者的假腿连接，以及针对癌症患者高度定制一些复杂的面部假体。

3D打印也被用于制造低成本假肢。3D打印行业的合作性质意味着3D打印假肢可以以非常低的成本通过互联网快速在桌面显示，并且在3D打印打印机上打印经大量同行评议的产品。 这些设计可以轻松地缩放或更改，以完美匹配用户的大小。 e-NABLE社区由来自世界各地的人组成，他们正在使用他们的3D打印机为需要上肢辅助装置的人创建免费3D打印手和手臂。因为3D打印持续进入主流，使其观念现在变得越来越普遍了。

通常，传统的材料和制造技术用于生产功能性假肢的结构部分。AM经常被生产，然后在接口部分实现复杂的轮廓，完美的适合用户解剖学特征，提高舒适度和健康。AM也在假肢的外表面上实现生命般的有机的外壳以隐藏假肢的机械性质。这也为佩戴者定制完全适合他们的假肢，以及为他们喜欢的任何设计或风格提供可能。

3D打印高度定制面部假体

来源：Formlabs

3D打印的持续发展过程中许多令人惊讶的最成功的故事之一是助听器。目前，已有超过1千万人佩戴3D打印的助听器，全球97％的助听器正在使用3D打印创建。与传统制造相比，3D打印技术不仅显着降低了定制助听器的成本，而且提高了生产助听器所需复杂有机表面的能力，并使得不良配合率降低了40％至10％。

3D打印助听器

来源：EnvisionTec

大多数助听器是使用SLA生产的，其工艺非常成熟。高水平的细节允许特异性的定制，而光滑的表面提高舒适性和适合性。

3D打印适用于医疗行业的一些局限性包括：

• 与传统制造方法相比，虽然打印零件通常要快得多，但扫描数据的转换仍需要大量时间才能生成可供打印的STL文件。因此，对于特别紧急的情况，如外伤手术，常用的植入物或医疗器械可能是更理想的解决方案。

• 购买台式机FDM或SLA机器的价格通常在1000美元到5000美元之间，而高端3D打印机（SLS，喷射材料和金属印刷）则从20万美元到85万美元不等。 这些3D打印技术的材料目前也非常昂贵。目前对于这些技术来说，最佳的解决方案在于解决生产制造产品的材料问题。

• 很好的理解每种3D打印技术点是至关重要的，需要在所需输出的上下文中确定。每种技术都有优点和缺点，制造零件价格的变化可能很大。

案例研究―装备传感器的新生婴儿模型

埃因霍温理工大学（Eindhoven’s University of Technology）的博士生导师和医疗保健旗舰计划的参与者—马克·瑟伦（Mark Thielen），旨在提高新生儿患者的手术及医疗过程的成功率。马克已经利用3D打印和3D集成技术开发了一个栩栩如生且具有智能传感器反馈能力的功能器官的新生婴儿模型，来优化手术和医疗过程的经验训练。

3D打印模型

对外科医生和护士来说，与解剖模型相互作用对手术和医疗程序的成功是至关重要的。在新生儿领域，目前的练习模型缺乏新生儿复杂的感觉，难以准确地进行实践。马克公司开发人体模型的研究中，所有主要的内部器官都运作并装有传感器，以监测关键数据的测量，如在试验过程中的压力、压强和影响（例如CPR，插管）。

3D打印可用大量材料的进行测试，最重要的是拥有创建有机形状的生物技术。人体模型有两个关键组成部分：肋骨/脊柱；它们为第二部分：内脏，内脏提供储藏空间。人体解剖学的复杂性极难以用任何其它生产方法来重现，同时也增加了成本和交货时间。

台式FDM 3D打印机上最初使用各种热塑性弹性材料进行测试，以创建模型的较大部件，如肋骨架。在设计完成之后，由于技术需要提供高精度的尺寸和自由度，因此选择性使用了激光烧结（SLS）。

为了创造功能器官材料，喷射3D打印被用来制造模具。与传统的制造方法相比，3D打印模具允许快速设计和更改。当制造模具时，材料喷射还允许材料（刚性和柔性塑料）的组合，例如，一个心脏需要有非常详细的工作阀。由于新生儿器官的尺寸非常小且有细微的细节，创建这些部件模具的唯一方法是3D打印。

使用3D打印模具生产高度详细的内脏器官模型

当胸部和器官相结合时，马克运用流体穿过人体模型，并安装了两个摄像头和传感器，在各种试验过程中对模型的每个部分进行反馈。

马克对创建十分逼真人体模特的研究并没有停止在新生儿患者身上，而是有更广泛的应用。他继续阐释：

“我相信，我们这里开始的研究活动可以在更广泛的范围内发展和推进医学研究。我们可以创建病人的其它身体部位的模型，加强医疗培训应急程序和备用。以加强紧急程序和医疗培训”。

作者：Ben Redwood

文章来源：3D Hubs

想了解更多关于生物医用材料信息

或者

想分享您对生物医用材料发展的观点

请长按下方二维码，备注“生物医用材料”，添加好友

新材料在线商务合作

请联系：王小姐 0755-86060912（9:30-18:30）

点击“阅读原文”下载新材料在线APP