3D打印技术在医疗领域中的应用

3D打印技术在医疗领域中的应用

摘要：3D打印作为近年来发展的一种新兴多学科交叉技术，目前被广泛应用于医疗,航天,汽车制造等相关领域，正在改变现有的标准化,规模化的生产模式，由于个性化设计相结合从而制造出复杂形态结构，并能满足个性化需求和产品受到人们的关注，同时也逐渐应用于各个领域。

关键词：3D打印；金属材料；医学

口腔修复、颌面整形以及口腔正畸技术在不断发展，对于3D打印所需要的材料要求也在不断增加。材料是各技术发展的基础，其种类、性能等相关因素决定了产品的品质、功能，因此突破材料对于3D打印的制约尤为重要。

1.金属材料

金属材料导电性、力学强度，因此成为3D打印加工的常用材料，由于熔点相对较高，对于制造过程的技术要求较高，但存在不少难度。传统的金属生物医用材料具有不锈钢、钴基合金材料、钛合金材料。钴络合金作为一种高温合金，由于良好的机械性能、抗腐蚀性能导致零部件具有强度高、耐高温的特点。除此之外，不锈钢材料由于空气耐受、蒸汽等弱腐蚀介质和酸、盐等化学介质的腐蚀，因此目前3D打印制取的模型在目前也受到广泛应用。镁铝合金由于质轻、强度高等特质，因此在制造业的需求也会逐渐增加。上述传统金属材料整体力学强度、抗腐蚀性较为良好，在人体特定环境下也会被腐蚀。不锈钢中的添加元素Cr、V等存在一定的金属毒性，除此之外，组织相容性相对较差，一般不利于软组织生长。越来越突出的缺点使学者们开展研究新型金属材料。

当前3D打印中较多的金属包含贵金属，钛合金材料质轻、强度高，整体生物相容性较为优良，已经成为医学领域的常用金属材料，特别是口腔颌面修复中常用的金属材料。在生物机体内化学稳定性、抗腐蚀性相对较好，氧合物一般不被吸收，和其他金属材料结合一般不会破坏金属表面的氧化膜，是目前较为理想的生物医用材料。锆、钛等金属材料整体组织结构、化学性能较为相似。铌、锆和钛等金属材料组织、化学性能相似，是目前常用的理想材料，但由于贵金属材料受到限制，因此需要开发相关替代产品。关于3D金属打印的相关金属制品在力学、生物抗溶性等方面还需进一步研究。根据学者报告研究，可以加工成多孔金属材料，有利于血管、软组织生长，整体组织相容性较好。作为现阶段一种应用于口腔医学的新兴材料还需要进一步研究。

义齿是应用于牙齿缺损修复的一种重要方法，金属是目前常见的义齿材料，主要材料有镍铬合金、钛合金、钴铬合金等，且加工方法繁琐，均以蜡型铸造为主要生产工艺，辅助工艺繁琐，工作环境差。此外，一些重金属元素，例如镍、钴等会在口腔环境中发生为微量化学反应，使人体产生过敏反应。且对于一些金属基义齿，其耐磨性差，化学稳定性差，也越来越不适合义齿的制造。近年来，高硬度、高耐磨性的陶瓷牙，越来越引起人们的重视，但是，陶瓷的难加工特点也让陶瓷牙的成本成倍提高。基于3D打印的氧化锆基陶瓷义齿相对于金属义齿保持了陶瓷本身高硬度，高耐磨性，同时还解决了传统陶瓷义齿难加工的缺点。通过3D打印快速成型技术，利用增材制造的方法，将患者的个性化义齿陶瓷胚直接打印出来，缩短了加工周期，提高了精准度。

2在医疗领域应用

根据主动脉夹层患者的病理生理和临床变化，临床治疗可分为三个阶段。1） 从开始到两周的急性期。这一时期经历了快速变化，高死亡率是最危险的。尽快积极治疗或手术；2） 从15日到28日，称为亚急性期的疾病在急性期相对稳定，但血管组织和水肿严重。如果在这个阶段开始操作，操作将非常困难；3） 血管和周围组织的出血和肿胀逐渐减少。此时手术出血相对较小，缝合线相对耐用，亚急性期手术相对安全。主动脉夹层患者应尽快介入治疗，积极做好手术准备。这种药物的主要目的是缓解主动脉层的疼痛，这通常会导致高血压。

根据这项实验的结果，通过3D打印技术生成的等距模型和等距虚拟模型可以更直观地表达相邻组织的A型大动脉骨骼根部的三维结构，并直观地确定层次和程度。术前对A型大动脉进行细分和分类，以提高细分和分类的准确性[3]。

到目前为止，有人提到，使用金属和塑料等非生物组织材料的个人假肢、牙科、矫形植入物、助听器外壳和其他医疗设备的3D打印属于“初始阶段”。对某些生物组织，如血管和软骨属于“中间阶段”。心脏等人工器官是“导体”，其核心是某些细胞类型的分离（或定向诱导）和大规模扩增，无论它们是人工血管、软骨组织、肝组织还是肾组织。在长期培养过程中，我们更负责构建三维形状，使人类细胞能够以预制的形式生长。因此，人工器官和组织的发展在很大程度上取决于生物技术的发展[4]。

生物打印基于3D打印技术，使用细胞和生物聚合物来创建生物结构和组织。该领域最有前途的类型之一是数字光处理生物打印，但其进展一直存在技术障碍，事实证明，打印具有高细胞密度和精细解析结构的组织很困难。依据现有方法，生物墨水中的细胞越密集，光散射越多，打印的分辨率越受影响。但研究团队此次使用的造影剂碘克沙醇，是生物墨水中的一种新成分，可将光散射效应降为1/10，从而能同时以高细胞密度和高分辨率进行打印。

在医疗领域中进行3D打印，整体效果较好，较为清晰。通过3D打印和成型制造药物输送设备比传统印刷机具有独特的优势。3D打印可以实现多种材料的精确成型和局部微观管理，创建具有复杂内部结构的设备；药物释放的特性满足药物释放所需的复杂行为。通过3D打印和成型技术的结合，粉末材料可以很容易地实现具有复杂空腔的多孔结构，这是医疗应用中经常需要的，对药物递送至关重要。种类、性能等相关因素决定了产品的品质、功能，因此突破材料对于3D打印的制约尤为重要。

参考文献

[1]毛毛.基于激光超声技术的3D打印材料表面缺陷检测研究[J].激光杂志,2022,43(12):31-35.DOI:10.14016/j.cnki.jgzz.2022.12.031.

[2]陈苏畅.计算机辅助分析3D打印金属材料微观结构[J].中国金属通报,2022(11):123-125.

[3]白石柱,张生睿,龚旭,钟声,林修文,赵瑞峰.3D打印及其在口腔医学中的应用(三)——常用材料[J].实用口腔医学杂志,2022,38(04):546-552.

[4]许玮.金属3D打印原理及可行性的医用金属粉体材料综述[J].创伤与急诊电子杂志,2022,10(01):41-45.DOI:10.16746/j.cnki.11-9332/r.2022.01.008.

[5]王永生.粉体包覆技术实现3D打印金属基复合材料发展加速度[J].中关村,2021(10):68-69.

[6]纪琦,喻正文,张剑.3D打印金属基生物材料工艺和临床应用的问题与趋势[J].中国组织工程研究,2021,25(16):2597-2604.