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個性化、更精準(zhǔn)：當(dāng)有機(jī)硅遇上3D打印

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責(zé)任編輯：傳說的落葉時間：2019-06-18 08:42

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[導(dǎo)讀]個性化、更精準(zhǔn)：當(dāng)有機(jī)硅遇上3D打印

來源：未知大陸

時至今日，3D打印已經(jīng)不再是新鮮事物。這項(xiàng)技術(shù)的思想起源于19世紀(jì)末的美國；在20世紀(jì)80年代得到發(fā)展和推廣；到了新世紀(jì)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、材料科學(xué)、成像技術(shù)等基礎(chǔ)科研的發(fā)展，3D打印開始大規(guī)模地得到應(yīng)用，難怪被稱為“上上個世紀(jì)的思想，上個世紀(jì)的技術(shù)，這個世紀(jì)的市場”。

航空工業(yè)與醫(yī)療產(chǎn)業(yè)是最先開始應(yīng)用 3D打印的領(lǐng)域，目前，3D打印已經(jīng)在這兩個方面實(shí)現(xiàn)了相當(dāng)規(guī)模的應(yīng)用。其中，醫(yī)療器械行業(yè)是3D打印最為重要的市場之一，它能實(shí)現(xiàn)個性化、精準(zhǔn)化的醫(yī)療服務(wù)，需求量正在迅速增長，例如醫(yī)療模型、手術(shù)導(dǎo)板、牙科及骨科植入物、組織器官生物打印等逐漸進(jìn)入臨床，部分已實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。

▲3D打印的主動脈瓣

根據(jù)美國咨詢公司W(wǎng)holers Associates的數(shù)據(jù)，2000年以來，利用3D打印機(jī)定制生產(chǎn)的助聽器殼體和耳模已逾6000萬件。從人工髖關(guān)節(jié)到鈦顎骨再加上各種假肢，數(shù)十萬患者已經(jīng)安裝了3D打印的骨科植入體。3D打印的手術(shù)導(dǎo)板讓手術(shù)更為精確，造福無數(shù)患者。如今每年約有10萬例膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)是以這種方式進(jìn)行。醫(yī)院和口腔頜面等外科醫(yī)生也越來越多地進(jìn)行醫(yī)療模型的3D打印。借助磁共振成像（MRI）和計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）等手段提供的解剖學(xué)數(shù)據(jù)，3D打印醫(yī)療模型不僅可以保留高水平的細(xì)節(jié)，還能節(jié)省大量的時間和金錢，

醫(yī)療行業(yè)如此迅速地接受增材制造并不奇怪。人的身材尺寸各異，因而3D打印機(jī)定制化生產(chǎn)的能力是一個福音。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）軟件控制這些打印機(jī)，引導(dǎo)它們一層層地堆積材料來構(gòu)建物體，醫(yī)學(xué)掃描的實(shí)際是CAD文件。傳統(tǒng)工廠中的工具更適合批量生產(chǎn)一模一樣的產(chǎn)品，而軟件改動起來則更快速、更經(jīng)濟(jì)。

1、有機(jī)硅成功實(shí)現(xiàn)3D打印
材料的成熟度和擴(kuò)展一直以來是3D打印技術(shù)發(fā)展的重要因素之一。在醫(yī)療領(lǐng)域，由于屬于非常特殊的一類應(yīng)用領(lǐng)域，對于3D打印材料的物理化學(xué)特性、工藝流程、軟件等提出了更高的要求，尤其對材料與產(chǎn)品的生物兼容性提出了更為嚴(yán)格的要求。目前可用于3D打印的材料，常見的有樹脂、合金（如鎳基鉻、鈷、鋁、鈦等）、聚合物、陶瓷、塑料等。其中，作為在醫(yī)療行業(yè)已得到成熟而廣泛應(yīng)用的高分子彈性體，有機(jī)硅最大的優(yōu)點(diǎn)是成分簡潔，安全可靠，具有良好的生物相容性。有機(jī)硅彈性體具有出色的柔韌性與彈性，其外觀和觸感比其他材料更接近人體。

以前，有機(jī)硅成型主要采用復(fù)雜的注塑成型工藝：生產(chǎn)商必須首先準(zhǔn)備好模具，然后將液體硅橡膠加壓注入其中。這種方法成本過高，只適合大規(guī)模生產(chǎn)。有機(jī)硅3D打印則實(shí)現(xiàn)了全新的部件設(shè)計(jì)。

有機(jī)硅3D打印可以覆蓋產(chǎn)品不同的生命周期，無需使用任何工具或模具，便可直接將數(shù)字模型轉(zhuǎn)換為實(shí)物，從而降低生產(chǎn)成本、節(jié)省生產(chǎn)時間、大幅縮短工藝周期，同時在產(chǎn)品開發(fā)期間快速改進(jìn)產(chǎn)品；另一方面，有機(jī)硅3D打印還可對結(jié)構(gòu)復(fù)雜的功能性部件和原型件進(jìn)行功能整合。

不過，有機(jī)硅這種特殊的軟膠材料要想實(shí)現(xiàn)3D打印，難度可非同一般。作為擁有70 多年歷史的有機(jī)硅材料供應(yīng)商，瓦克化學(xué)是全球很早進(jìn)入開發(fā)有機(jī)硅3D打印技術(shù)的公司之一。瓦克ACEO® 3D打印技術(shù)是全球首項(xiàng)用于液體硅橡膠組件增材制造的工業(yè)級技術(shù)。其獨(dú)特的“按需噴墨”技術(shù)讓ACEO®可以實(shí)現(xiàn)充分的設(shè)計(jì)自由度，用于打印高功能性部件，同時保持硅橡膠的耐高溫性、抗輻射性及生物相容性等優(yōu)異性能。將ACEO® 3D打印技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域，顯然將給整個行業(yè)的發(fā)展和病人的福祉帶來極大的益處。

▲3D打印的血管

2、醫(yī)療模型
醫(yī)療模型在當(dāng)今的醫(yī)療應(yīng)用中具有顯著優(yōu)勢。它們在臨床訓(xùn)練、手術(shù)計(jì)劃可視性和模擬性、病情告知以及醫(yī)療器械開發(fā)過程中的模擬環(huán)節(jié)均大有用武之地，甚至還可用作精密假肢的定制模型。由于其外觀和觸感比其他材料更接近人體，醫(yī)療模型在臨床應(yīng)用、大學(xué)及研究機(jī)構(gòu)中扮演著越來越重要的角色。

3D打印的醫(yī)療模型可用于創(chuàng)建具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的有機(jī)結(jié)構(gòu)，并且應(yīng)用范圍廣泛。有機(jī)硅彈性好、可變形且易于切割和縫合無疑也是一大優(yōu)勢。有了這類模型，醫(yī)生便可向病人展示其內(nèi)部器官的情況以及需要采取的治療手段。例如，外科醫(yī)生可以使用成像數(shù)據(jù)3D打印患者的心臟，并在幾乎真實(shí)的條件下預(yù)習(xí)手術(shù)步驟，從而預(yù)測并減少手術(shù)過程中的突發(fā)問題。

ACEO®獨(dú)特的基于有機(jī)硅彈性體的“按需噴墨”技術(shù)可用于打印結(jié)構(gòu)復(fù)雜的三維解剖模型。此類模型模擬生物力學(xué)的逼真度達(dá)到了前所未有的水平。有機(jī)硅彈性體具有出色的柔韌性與彈性，并且易于切割和縫合，尤其適用于復(fù)制血管、心臟、肌肉或皮膚等柔軟組織。

ACEO® 3D打印技術(shù)可用于復(fù)制人體器官，制造具有生物相容性的硅橡膠組件，此類組件在科學(xué)領(lǐng)域和醫(yī)療行業(yè)的需求始終持續(xù)增長。所有ACEO®通用型材料的生物相容性均已通過ISO10993和USP Class VI認(rèn)證。

ACEO®全球市場總監(jiān)Egbert Klaassen說道：“采用真正的有機(jī)硅彈性體打印而成的解剖模型展現(xiàn)了解剖模型所能達(dá)到的極致逼真度。瓦克與多家大學(xué)、診所和研究機(jī)構(gòu)的專家共同開發(fā)了一個包括血管、主動脈弓、主動脈瓣和三尖瓣模型在內(nèi)的基礎(chǔ)產(chǎn)品系列，并計(jì)劃在大眾市場上推廣?？蛻艨梢灾苯佑嗁徤鲜瞿Ｐ?，也可以通過ACEO®網(wǎng)絡(luò)商店上傳他們所需要的模型并下單訂購。”日前，ACEO®有機(jī)硅3D打印服務(wù)的中文網(wǎng)站和網(wǎng)上商店已經(jīng)正式上線。

3、人工牙齦
牙科是3D打印迄今為止應(yīng)用最為成熟的醫(yī)療領(lǐng)域，根據(jù)SmarTech Markets的研究預(yù)測，2020年牙科與醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的3D打印市場規(guī)模有望達(dá)到45.44億美元。牙科的數(shù)字化技術(shù)可追溯到20年前。當(dāng)時牙冠的標(biāo)準(zhǔn)制造流程是先獲得牙齒印記，再將其送到實(shí)驗(yàn)室用石膏澆注。然后，牙科技師對石膏進(jìn)行3D掃描以創(chuàng)建CAD結(jié)構(gòu)。之后，數(shù)據(jù)被傳送到CNC銑床或金屬3D打印機(jī)上生產(chǎn)定制的牙冠。這段時間發(fā)生的變化是牙醫(yī)在本世紀(jì)之前很少使用口內(nèi)3D掃描儀。隨著時間的推移，牙齒印記和石膏部件逐漸被淘汰。

近期，慕尼黑口腔修復(fù)綜合醫(yī)院的牙科實(shí)驗(yàn)室在一個項(xiàng)目中選用了ACEO®來進(jìn)一步推動增材制造的人工牙齦的應(yīng)用。人工牙齦在口腔種植領(lǐng)域用以模擬患者的真實(shí)牙齦情況，與打印的牙齒模型配合使用，能夠清晰的反映出患者的病理情況?；颊呖谇坏臄?shù)字印記和物理印記都可獲得，但真實(shí)牙齦的柔軟和敏感是無法進(jìn)行數(shù)字化計(jì)算的。因此，打造完美的牙冠需要一種更真實(shí)的牙齦模型，其材料應(yīng)比石膏更柔軟并且可以改變形狀。

▲采用ACEO® 3D打印的硅橡膠人工牙齦

有機(jī)硅的特性與牙齦相似。它們不可滲透并且通過了IIa類醫(yī)療器械測試，它們具有不同的硬度和顏色，因此3D打印部件的外形和觸感都很逼真。另一方面，目前尚未開發(fā)出適用于有機(jī)硅加工的減材制造技術(shù)，通過3D口內(nèi)掃描儀獲取數(shù)據(jù)時，創(chuàng)建實(shí)體模型的唯一方法是進(jìn)行銑削或打印。ACEO®使用高質(zhì)量材料，用紫外線固化，并且不添加增塑劑，因此不會影響觸感和機(jī)械性能。它為制造人工牙齦提供了完美的解決方案。

4、前景與挑戰(zhàn)
有機(jī)硅3D打印是一種新興的技術(shù)，但是已經(jīng)開始逐步有應(yīng)用落地，未來在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用范圍會越來越廣。利用3D打印對復(fù)雜形狀不敏感、無需開模等優(yōu)勢，越來越多的創(chuàng)新設(shè)計(jì)正在涌現(xiàn)，生產(chǎn)效率也得到有效提升。全世界不僅在探索3D打印在原型打印、小批量及零部件打印方面的潛能，而且越來越多利用真正的3D結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，例如：解剖模型、晶格結(jié)構(gòu)的使用，以及機(jī)器人抓手等?；贛RI或CT數(shù)據(jù)的有機(jī)硅3D打印展示了無限的可能性。未來，各種新應(yīng)用將層出不窮。例如，通過3D打印的定制有機(jī)硅呼吸面罩和助聽器不久即將問世。

不過，一項(xiàng)新技術(shù)的發(fā)展總是伴隨著阻礙，由于市場對3D打印的認(rèn)知不足和資格審查流程標(biāo)準(zhǔn)不明確，市場上出現(xiàn)了一些低性能產(chǎn)品，損害了有機(jī)硅的聲譽(yù)。對于那些并非從傳統(tǒng)流程了解有機(jī)硅的用戶而言，這種情況尤為嚴(yán)重。因此，專業(yè)組織、行業(yè)協(xié)會等機(jī)構(gòu)應(yīng)積極解決有機(jī)硅3D打印的標(biāo)準(zhǔn)制定問題。制造商應(yīng)與客戶緊密合作，利用有機(jī)硅3D打印技術(shù)使生產(chǎn)變得更加靈活，能夠?qū)Σ煌枨罂焖僮龀鲰憫?yīng)。

相信在不久的將來，隨著包括有機(jī)硅在內(nèi)的諸多3D打印材料的成熟與完善，巧婦不再難為無米之炊。材料科學(xué)、3D打印等技術(shù)的進(jìn)步將繼續(xù)推動醫(yī)療行業(yè)迎來革命性的變化。

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