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。

医学中的 3D 打印：假肢和植入物的革命性变革

快速成型技术正在彻底改变医疗设备的设计和制造过程。它也被称为快速成型技术，通过沉积或凝固材料，按照设计的三维几何形状逐层创建实物。在医疗保健领域，这项现代技术的应用可以在更短的生产时间内实现假肢、植入物甚至手术器械的差异化。本作品将简要介绍医疗领域使用的一些传统 3D 打印技术和常用的生物材料。它还将回顾当前和未来的发展，并考虑一些具体问题，如 "现代 "治疗和诊断、"混合 "生产模式和全球协调。此外，还将讨论该技术的现状和未来可能性，不仅包括用于组织工程的 3D 打印技术，还包括创新型可穿戴设备。

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，人们需要更多量身定制的个性化医疗产品和更低廉的价格，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，从而使 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 三维打印三维扫描可生成并提供患者残肢的精确数字模型，并可根据该模型制作三维打印假肢套筒。在应OWN 案例中，患者表示在接受按照他们的要求打印的三维假体植入后，活动能力增强了，不适感减少了。对这种材料的研究还表明，将其用于三维打印假体的机会越来越多，这就需要对重量轻但强度高的聚合物和复合材料进行创新。目前正在集成更多的控制能力和功能，以使肌电接口和其他此类设备的模拟更加逼真。

植入物

利用 3D 打印的概念，可以轻松地开发和植入植入体，这种概念主要侧重于患者的解剖结构。术前规划包括根据植入部位的医学影像创建解剖模型；对于每个植入病例，外科医生都会合作创建并用三维打印技术精确打印出几何形状正确的植入体，以达到最佳配合和位置。例如，颌骨重建板、颅骨和颞下颌植入物。目前正在开展进一步的工作，通过三维打印技术制造生物相容性金属和聚合物，用于体内长期植入。作为法规的一部分，建立进一步的标准化途径，使更多个性化 3D 打印植入物的使用成为主流，这一点至关重要。总的来说，3D 打印技术在通过量身定制的植入体结构为个性化患者护理开辟新模式方面具有很大的潜力。

医疗保健领域的主要 3D 打印技术

目前，有多种三维打印模式可用于医疗领域，如下所述。它们在分辨率和所用材料类型方面都有一些优势。熔融沉积建模（FDM）是最流行的聚合物沉积类型，它通过一个可移动的喷嘴沉积融化的长丝，逐层形成部件。许多打印机使用 PLA 和 ABS，并教授如何 3D 打印解剖模型和假肢。立体光刻（SLA）和数字光处理（DLP）技术通过在液体上使用紫外线激光器或投影仪来固化固体树脂。
选择性激光烧结（SLS）利用激光将尼龙或聚酰胺等多种材料的颗粒熔融成致密物体。这样就能在植入物支架和手术工具内部制造出复杂的结构。

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（PLA）、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。

三维打印设备与医疗物联网（IoMT）传感器的整合将开创个性化医疗的新时代。植入物和假体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、 三维打印 快速制造定制结构和组件的能力，彻底改变了医疗设备的设计和生产。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。