医疗 3D 打印技术、材料和医疗变革进展指南

本文介绍了被称为 "快速成型 "的增材制造技术是如何实现的。 三维打印 通过定制假肢和植入物、手术导板及其他用途，3D 打印技术正在积极改变医疗设备的生产。子课题包括有关同步分层和熔融沉积方法的科学文献，以及生物医学材料的发展趋势、混合方法、立法和 3D 打印在综合护理系统中的未来应用。

医疗 3D 打印：假肢和植入物的革命性变革

快速成型技术（或称快速原型技术）根据三维几何图形逐层创建实物，正在改变医疗设备的设计和制造。在医疗保健领域，它能以更快的生产速度实现定制假肢、植入物和手术器械。这项工作将探索医疗领域的三维打印技术、常用生物材料，并回顾当前和未来的发展。它还将探讨现代治疗和诊断、混合生产模式和全球协调等问题，同时强调 3D 打印技术的潜力。 数控加工 组织工程医疗设备和创新型可穿戴设备。

医疗 3D 打印的当前趋势

这项技术为医疗设备的设计和材料化打开了一扇窗。基于数字 3D 模型数据，熔融沉积建模、立体光刻和粘结剂喷射方法为一次性生产定制的医疗产品提供了机会......这使得假肢、植入物和手术规划等关键应用成为可能。

与普通制造业相比，人们对定制化医疗产品的要求更高，价格也更便宜，这促进了医疗 3D 打印技术的发展。目前，监管标准正逐步发生变化，使医疗 3D 打印技术在医疗行业有了全新的应用。

义肢

利用三维扫描和医用三维打印技术，假肢可以量身定制，从而改善外观和功能。三维扫描可创建患者残肢的精确数字模型，从而制作出个性化的假肢套筒。据患者报告，使用 3D 打印假肢后，活动能力增强，不适感减少。材料研究也在不断进步，在假肢用轻质、高强度聚合物和复合材料方面取得了创新。此外，为实现更逼真的模拟，肌电接口也在不断改进。医用三维打印技术正在改变假肢技术，为患者提供个性化的解决方案，以获得更好的治疗效果。

植入物

医用三维打印可根据患者的解剖结构制作定制植入物，改善术前规划和手术效果。外科医生利用医学成像技术设计和三维打印出具有精确几何形状的植入物，如颌骨重建板和颅骨植入物。目前正在进行的工作旨在开发用于长期体内植入物的生物相容性金属和聚合物。为个性化医疗 3D 打印植入物制定标准化法规对主流应用至关重要。总之，医疗设备中的数控加工在通过量身定制的植入体结构推进个性化患者护理方面具有巨大潜力。

医疗保健领域的主要 3D 打印技术

医疗领域使用多种 3D 打印技术，每种技术在分辨率和材料类型方面都有优势。熔融沉积建模（FDM）在聚合物沉积方面很受欢迎，它使用融化的丝来逐层制造部件，通常使用聚乳酸（PLA）和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）。立体光刻（SLA）和数字光处理（DLP）使用紫外线激光器或投影仪固化树脂，可实现适合医疗设备和生物兼容光聚合物的高分辨率。选择性激光烧结（SLS）使用激光将尼龙等材料熔化成致密物体，从而制造出用于植入物和手术工具的复杂结构。

粘合剂喷射的工作原理是选择性地将液体粘合剂沉积到粉末层上，将颗粒粘合在一起。它可以加工各种聚合物和陶瓷。

材料喷射

材料喷射技术通过喷墨打印头同时沉积多种材料。生物相容性光聚合物、蜡和水凝胶可逐层打印，提供可降解植入物的可控药物释放等功能。

通过喷射悬浮在水凝胶中的活细胞，生物打印出了组织结构。材料喷射还可实现嵌入电子元件或多种细胞类型的个性化医疗设计。

罐式光聚合

SLA 和数字光处理（DLP）的 XY 分辨率非常高，约为 50 微米。这使它们非常适合要求微米级精度的应用，例如根据数字印模制作牙科矫正器和牙冠。

它们能够将液体树脂精确固化成复杂的几何形状，这也促进了软骨和骨骼结构的生物打印。SLA 打印聚合物支架可以模拟组织结构和细胞龛，从而加快再生。DLP 在批量生产颅骨板等标准化植入物方面已显示出潜力。

生物医学材料

目前已开发出多种适合三维打印医疗设备和活体组织结构的材料。合适的材料取决于具体的生物医学应用和制造工艺。

热塑性聚合物，如聚乳酸、 ABS 和 PEKK 常用于假肢和解剖模型的熔融丝制造。它们具有良好的可印刷性，但强度较低。PEEK 和 Ultem 可提高承重应用的耐用性。

钛及其合金等生物相容性金属因其卓越的机械性能和骨结合能力，被广泛应用于激光粉末床融合技术生产的植入物中。它们的打印需要高功率激光和惰性气氛来防止氧化。

羟基磷灰石等陶瓷具有促进骨组织生长的特性，但很难进行三维打印。现在，复合配方将陶瓷与聚合物结合起来，用于定制具有特定硬度、强度和可吸收性的假体和支架。

在三维生物打印中，与天然细胞外基质相似的水凝胶是首选的生物墨水。藻酸盐、明胶、胶原蛋白和纤维蛋白交联成可打印的糊状物，能够包裹活细胞并支持体外组织形成。它们的亲水性允许进行必要的营养和废物交换。

聚乳酸（PLA）等聚合热塑性塑料彻底改变了使用熔融长丝制造定制假肢的生产方式。它们具有可打印的特性，成本低廉，外观逼真，可提高生活质量。

金属是利用激光烧结技术打印并植入永久性牙科或整形外科植入物（如钛颅骨板或下颌骨重建网片）的首选材料。它们的机械性能可确保装置的长期功能以及与骨骼的骨结合。

目前，生物打印技术为利用仿生细胞水凝胶生产活体组织移植物提供了可能。例如，软骨和骨骼结构可逐层喷墨打印，用于再生医学应用。

挑战和未来方向

虽然医疗 3D 打印的能力已迅速扩展，但要充分发挥其潜在优势，仍需取得进一步进展。将几何精度提高到微米或纳米级将开启新的应用领域。此外，还需要通过规模经济和混合制造降低成本，以实现广泛应用。

世界各地必须继续统一监管标准，以安全地加快 3D 打印植入物、药物和组织的临床使用。人工智能和机器学习有望优化设计、流程和质量保证。

展望未来，具有生物可吸收性或可对生化信号做出反应的下一代智能材料可生产出全新类别的功能性医疗设备。4D 打印等新兴技术可以制造出在体内随时间改变形状的结构。

将 3D 打印设备与 医疗物联网 (IoMT）传感器可能会开创个性化医疗的新时代。植入物和假肢可持续监测健康数据，并与数字治疗计划互动。利用虚拟现实和增强现实技术进行的医学模拟将最大限度地发挥三维解剖模型的培训优势。

标准化

随着医疗 3D 打印技术在更多应用领域和全球市场的推广，标准化对于确保安全性、有效性和全球监管合规性非常重要。材料测试协议和鉴定程序需要达成一致，以保证生物兼容性。

增材制造特有的工艺验证和质量管理系统也需要统一。通过美国材料试验学会（ASTM）和国际标准化组织（ISO）等组织建立的政策框架提供了一种机制，用于制定适合 3D 打印医疗产品的国际制造和设计控制标准。

混合制造

许多人认为，将 3D 打印与传统技术相结合是克服个体局限性的关键解决方案。激光烧结金属粉末，然后进行数控加工，可以达到规格级公差。用生物可吸收弹性体挤压成型的聚合物支架可以生产出可定制的植入体，并显示出一系列优化的特性。随着这些混合方法的成熟，3D 打印将继续颠覆传统医疗设备的开发和制造。

结论

总之，3D 打印技术能够快速制造定制的结构和部件，为医疗设备的设计和生产带来了革命性的变化。材料、精度和监管方面的进步有助于实现其潜力，使个性化医疗达到新的水平。

随着成本的降低和跨境标准的统一、 3D 打印产品 在假肢、植入物和手术模型等领域的应用将更加普遍。与生物打印和 IoMT 等新兴技术相结合，有望改变医疗方式。不再受制于大规模制造的考虑因素，根据病人独特的解剖学和生物学特性精确定制的个性化解决方案将成为可能。

然而，克服目前在材料生物整合、可扩展性和数据安全性等领域存在的局限性，将是 3D 打印技术实现其全部承诺的关键。衔接增材制造和传统技术的混合制造也需要进一步完善。随着多学科合作的持续开展以及对全球标准制定的重视，3D 打印技术对个性化医疗和公共医疗服务的变革性影响将在未来几年呈指数级增长。

常见问题

问：医疗 3D 打印安全吗？

答：安全性取决于所使用的材料和工艺。大多数常用的热塑性塑料和金属都经过了生物相容性测试。严格的设计、生产和质量控制将风险降至最低。正在进行的研究工作旨在开发生物安全材料。

问：在医疗保健领域，3D 打印技术还要多久才能取代传统制造技术？

答：目前，假肢、植入物和模型等领域正在大量采用三维打印技术，预计在本十年内还将进一步增长。随着标准的发展以及连接 3D 打印和传统技术的混合方法的出现，全面替代可能需要几十年的时间。成本的降低也将影响市场转型的时间表。

问：3D 打印能制造活体组织替代物吗？

答：一些基本组织（如软骨）已在实验中进行了三维生物打印，但完整的器官工程仍是一项长期挑战。目前的重点是将三维打印与细胞和生物材料结合起来，以制造出 组织构建 用于再生和药物测试。在血管化、免疫反应和器官复杂性方面仍存在重大科学障碍。