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个性化、更精准:当有机硅华人策略中心遇上3
浏览: 发布日期:2019-07-19
时至今日,3D打印已经不再是新鲜事物。这项技术的思想起源于19世纪末的美国;在20世纪80年代得到发展和推广;华人策略中心到了新世纪,随着计算机技术、材料科学、成像技术等基础科研的发展,3D打印开始大规模地得到应用,难怪被称为“上上个世纪的思想,上个世纪的技术,这个世纪的市场”。

航空工业与医疗产业是最先开始应用 3D打印的领域,目前,3D打印已经在这两个方面实现了相当规模的应用。其中,医疗器械行业是3D打印最为重要的市场之一,它能实现个性化、精准化的医疗服务,需求量正在迅速增长,例如医疗模型、手术导板、牙科及骨科植入物、组织器官生物打印等逐渐进入临床,部分已实现规模化生产。


▲3D打印的主动脉瓣

根据美国咨询公司Wholers Associates的数据,2000年以来,利用3D打印机定制生产的助听器壳体和耳模已逾6000万件。从人工髋关节到钛颚骨再加上各种假肢,数十万患者已经安装了3D打印的骨科植入体。3D打印的手术导板让手术更为精确,造福无数患者。如今每年约有10万例膝关节置换手术是以这种方式进行。医院和口腔颌面等外科医生也越来越多地进行医疗模型的3D打印。借助磁共振成像(MRI)和计算机断层扫描(CT)等手段提供的解剖学数据,3D打印医疗模型不仅可以保留高水平的细节,还能节省大量的时间和金钱,

医疗行业如此迅速地接受增材制造并不奇怪。人的身材尺寸各异,因而3D打印机定制化生产的能力是一个福音。计算机辅助设计(CAD)软件控制这些打印机,引导它们一层层地堆积材料来构建物体,医学扫描的实际是CAD文件。传统工厂中的工具更适合批量生产一模一样的产品,而软件改动起来则更快速、更经济。

1、有机硅成功实现3D打印
材料的成熟度和扩展一直以来是3D打印技术发展的重要因素之一。在医疗领域,由于属于非常特殊的一类应用领域,对于3D打印材料的物理化学特性、工艺流程、软件等提出了更高的要求,尤其对材料与产品的生物兼容性提出了更为严格的要求。目前可用于3D打印的材料,常见的有树脂、合金(如镍基铬、钴、铝、钛等)、聚合物、陶瓷、塑料等。其中,作为在医疗行业已得到成熟而广泛应用的高分子弹性体,有机硅最大的优点是成分简洁,安全可靠,具有良好的生物相容性。有机硅弹性体具有出色的柔韧性与弹性,其外观和触感比其他材料更接近人体。

以前,有机硅成型主要采用复杂的注塑成型工艺:生产商必须首先准备好模具,然后将液体硅橡胶加压注入其中。这种方法成本过高,只适合大规模生产。有机硅3D打印则实现了全新的部件设计。

有机硅3D打印可以覆盖产品不同的生命周期,无需使用任何工具或模具,便可直接将数字模型转换为实物,从而降低生产成本、节省生产时间、大幅缩短工艺周期,同时在产品开发期间快速改进产品;另一方面,有机硅3D打印还可对结构复杂的功能性部件和原型件进行功能整合。

不过,有机硅这种特殊的软胶材料要想实现3D打印,难度可非同一般。作为拥有70 多年历史的有机硅材料供应商,瓦克化学是全球很早进入开发有机硅3D打印技术的公司之一。瓦克ACEO® 3D打印技术是全球首项用于液体硅橡胶组件增材制造的工业级技术。其独特的“按需喷墨”技术让ACEO®可以实现充分的设计自由度,用于打印高功能性部件,同时保持硅橡胶的耐高温性、抗辐射性及生物相容性等优异性能。将ACEO® 3D打印技术应用于医疗领域,显然将给整个行业的发展和病人的福祉带来极大的益处。



▲3D打印的血管

2、医疗模型
医疗模型在当今的医疗应用中具有显著优势。它们在临床训练、手术计划可视性和模拟性、病情告知以及医疗器械开发过程中的模拟环节均大有用武之地,甚至还可用作精密假肢的定制模型。由于其外观和触感比其他材料更接近人体,医疗模型在临床应用、大学及研究机构中扮演着越来越重要的角色。

3D打印的医疗模型可用于创建具有复杂内部结构的有机结构,并且应用范围广泛。有机硅弹性好、可变形且易于切割和缝合无疑也是一大优势。有了这类模型,医生便可向病人展示其内部器官的情况以及需要采取的治疗手段。例如,外科医生可以使用成像数据3D打印患者的心脏,并在几乎真实的条件下预习手术步骤,从而预测并减少手术过程中的突发问题。

ACEO®独特的基于有机硅弹性体的“按需喷墨”技术可用于打印结构复杂的三维解剖模型。此类模型模拟生物力学的逼真度达到了前所未有的水平。有机硅弹性体具有出色的柔韧性与弹性,并且易于切割和缝合,尤其适用于复制血管、心脏、肌肉或皮肤等柔软组织。

ACEO® 3D打印技术可用于复制人体器官,制造具有生物相容性的硅橡胶组件,此类组件在科学领域和医疗行业的需求始终持续增长。所有ACEO®通用型材料的生物相容性均已通过ISO10993和USP Class VI认证。

ACEO®全球市场总监Egbert Klaassen说道:“采用真正的有机硅弹性体打印而成的解剖模型展现了解剖模型所能达到的极致逼真度。瓦克与多家大学、诊所和研究机构的专家共同开发了一个包括血管、主动脉弓、主动脉瓣和三尖瓣模型在内的基础产品系列,并计划在大众市场上推广。客户可以直接订购上述模型,也可以通过ACEO®网络商店上传他们所需要的模型并下单订购。”日前,ACEO®有机硅3D打印服务的中文网站和网上商店已经正式上线。

3、人工牙龈
牙科是3D打印迄今为止应用最为成熟的医疗领域,根据SmarTech Markets的研究预测,2020年牙科与医学领域的3D打印市场规模有望达到45.44亿美元。牙科的数字化技术可追溯到20年前。当时牙冠的标准制造流程是先获得牙齿印记,再将其送到实验室用石膏浇注。然后,牙科技师对石膏进行3D扫描以创建CAD结构。之后,数据被传送到CNC铣床或金属3D打印机上生产定制的牙冠。这段时间发生的变化是牙医在本世纪之前很少使用口内3D扫描仪。随着时间的推移,牙齿印记和石膏部件逐渐被淘汰。

近期,慕尼黑口腔修复综合医院的牙科实验室在一个项目中选用了ACEO®来进一步推动增材制造的人工牙龈的应用。人工牙龈在口腔种植领域用以模拟患者的真实牙龈情况,与打印的牙齿模型配合使用,能够清晰的反映出患者的病理情况。患者口腔的数字印记和物理印记都可获得,但真实牙龈的柔软和敏感是无法进行数字化计算的。因此,打造完美的牙冠需要一种更真实的牙龈模型,其材料应比石膏更柔软并且可以改变形状。


▲采用ACEO® 3D打印的硅橡胶人工牙龈
有机硅的特性与牙龈相似。它们不可渗透并且通过了IIa类医疗器械测试,它们具有不同的硬度和颜色,因此3D打印部件的外形和触感都很逼真。另一方面,目前尚未开发出适用于有机硅加工的减材制造技术,通过3D口内扫描仪获取数据时,创建实体模型的唯一方法是进行铣削或打印。ACEO®使用高质量材料,用紫外线固化,并且不添加增塑剂,因此不会影响触感和机械性能。它为制造人工牙龈提供了完美的解决方案。

4、前景与挑战
有机硅3D打印是一种新兴的技术,但是已经开始逐步有应用落地,未来在工业领域应用范围会越来越广。利用3D打印对复杂形状不敏感、无需开模等优势,越来越多的创新设计正在涌现,生产效率也得到有效提升。全世界不仅在探索3D打印在原型打印、小批量及零部件打印方面的潜能,而且越来越多利用真正的3D结构的优势实现创新设计,例如:解剖模型、晶格结构的使用,以及机器人抓手等。基于MRI或CT数据的有机硅3D打印展示了无限的可能性。未来,各种新应用将层出不穷。例如,通过3D打印的定制有机硅呼吸面罩和助听器不久即将问世。

不过,一项新技术的发展总是伴随着阻碍,由于市场对3D打印的认知不足和资格审查流程标准不明确,市场上出现了一些低性能产品,损害了有机硅的声誉。对于那些并非从传统流程了解有机硅的用户而言,这种情况尤为严重。因此,专业组织、行业协会等机构应积极解决有机硅3D打印的标准制定问题。制造商应与客户紧密合作,利用有机硅3D打印技术使生产变得更加灵活,华人策略论坛地址能够对不同需求快速做出响应。

相信在不久的将来,随着包括有机硅在内的诸多3D打印材料的成熟与完善,巧妇不再难为无米之炊。材料科学、3D打印等技术的进步将继续推动医疗行业迎来革命性的变化。