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2018上半年3D打印新设备、新技术、新材料盘点

来源:荣格

  发布:星之球科技

关键词:3D打印 激光技术

2018-06-04

 
得益于精细度高、成品坚固和可复制复杂几何模型等优势,3D打印技术逐渐应用于越来越多的行业领域。尤其是近年来,工业级3D打印设备在航空航天、汽车制造、医疗卫生以及艺术品复制等领域展现了良好的发展态势,3D打印的热潮席卷全球,与3D打印相关打印设备、材料与技术层出不穷。其中,医疗和外科中心对3D打印的需求占市场份额的三分之二。
 
据市场资讯机构Allied Market Research数据统计,2015年全球3D打印医疗保健市场的销售额为5.79亿美元,预计2020年将增长至23.638亿美元,而2015年至2020年,全球3D打印医疗保健市场的平均增长率预计将达26.6%,3D打印技术在医疗行业的应用潜力十足。本期特别报道栏目将为您盘点2018上半年3D打印技术的最新发展以及在医疗领域的部分应用案例,供读者了解参考。
 
强大助力——医疗辅助部件
 
3D 打印截骨工具辅助膝关节置换手术
 
今年年初,惠州市第一人民医院采取WRIGHT 3D打印技术定制截骨工具,成功实施了一例膝关节置换手术。据了解,接受此次手术的患者患有右膝关节骨性关节炎,需进行膝关节置换手术。据主刀医生介绍,对于膝关节置换手术,手术前的策划很重要,要根据病人原本的解剖机构去设计各种角度,比如股骨外翻角度、旋转角度、胫骨的后倾角度旋转等。而本次采用WRIGHT 3D打印技术,首先就要将患者的CT数据传送到供应服务的医疗3D打印技术公司,截骨的度数、矫正畸形的程度,再使用高密度尼龙材料,打印出符合公司通过计算机策划计算出的各种患者骨骼形状的3D打印截骨工具。
 
据了解,借助3D截骨工具,此次手术时间较以往同类手术平均时间减少了约40分钟,而且膝关节假体也与该名患者的真骨高度贴合。手术过程十分顺利,约一天后,该患者已可尝试下地行走。
 
利用3D打印模型完成肾移植手术
 
最近,一个3D打印的肾脏手术模型帮助英国北爱尔兰Belfast医院的外科医生完成了一个非常复杂的手术。来自Belfast的22岁女性波琳. 芬顿患有晚期肾病,完全依靠透析治疗。医生发现波琳父亲是一个合适的肾脏捐赠者,但在其父亲要捐献的肾脏上发现一个潜在的癌性囊肿。在此情况下,医生必须确保囊肿的精确完整切除以获得最大的健康移植组织。
 
考虑到移植准备的复杂性,外科医生与当地的医疗3D打印公司axial3D合作。axial3D使用CT扫描成像构建威廉芬顿肾的精确1:1 模型。然后使用粘合剂喷射技术在axial3D 实验室中对模型进行3D打印。Belfast 医院的外科医生计划并排练了该模型的手术,其中包含了囊肿的精确尺寸和位置,并考虑了所有的并发症。而这种洞察力在标准的术前影像检查中是无法实现的。负责此次手术的团队表示,肾脏模型对于他们规划手术的最佳步骤是有利的。最终,囊肿去除和肾脏移植成功,而波琳也重获新生。
 
3D打印技术首次造出类脑组织
 
美国《趣味科学》网站报道称,英国科学家近日使用新的3D打印技术,首次打印出像人脑一样柔软的类脑组织,这向最终3D 打印出功能齐备的完整大脑迈出重要一步。以往,只有相对硬一些的材料可被3D打印出来,而大脑、肺等软组织,一般很难通过3D打印技术获得。这是因为3D打印过程涉及逐层建造物体,下层要能支撑不断增长的结构的重量,而打印非常柔软的材料,则容易出现底层材料崩塌问题。
 
此次,研究人员使用一种新型复合水凝胶(包含水溶性合成聚乙烯醇以及植物凝胶两种成分),打印出三维支架,然后用胶原蛋白包裹打印出结构,并用人类细胞进行填充,得到了类脑软组织。为解决打印软组织难这一问题,研究人员在打印过程中进行了降温处理。
 
据悉,该技术目前还存在不少局限性,比如,仅能制造出类脑组织的小样本,而非整个大脑。研究人员认为,要使用3D打印技术获得功能齐备的复杂人类器官(大脑或肺等),可能还要等数十年时间,但该技术获得的组织可帮助科学家研究大脑或肺在不同环境下(如脑外伤等)的行为。
 
开发用于组织重建的生物3D打印聚合物
 
近期,法国医疗设备公司Gecko Biomedical从“未来投资计划”(PIA)处获得了600万欧元(合740万美元)的资金。这笔资金将主要用于促进用于组织重建和周围神经治疗的专用生物3D打印聚合物的开发和工业化。这家总部位于巴黎的公司目前正在开发生物3D打印合成聚合物的“独家平台”,据说这可以实现组织重建。同时,具有生物相容性和生物可吸收性的材料被设计为在手术期间粘附到内部组织,以帮助患者组织的自然重建。
 
 
 
 
Gecko Biomedical将3D打印材料比作一种“屏障或密封剂”,可以在手术过程中和手术后辅助组织重建。此外,该公司表示,组织植入物被设计为由特定类型的光“激活”,并且可以以高分辨率进行3D打印以获得最佳效率。
 
该公司解释说,其创新研究的目标是通过使用“3D打印的微导管”和生物相容性粘合剂来重建周围神经,这种粘合剂可以替代传统的缝合线。Gecko Biomedical公司首席执行官Christophe Bancel表示:“我们还打算通过我们的3D打印平台的工业和临床开发加快我们的战略第二阶段,通过利用我们的聚合物作生物医学树脂,以及通过最先进的3D打印技术,优化国有医疗机构植入物的生物可吸收和高分辨率特性。”
 
完美结合——医疗植入物
 
TU Delft推出独特3D打印髋关节植入物
 
植入物松动是影响医疗装置长期有效性的问题之一,尤其是对于臀部区域的装置。有预测称,到2020年全世界髋关节假体的数量预计将达250万个/年,而按照目前的技术,约10%的假体在术后10年内会失去固定作用。由Amir Zadpoor领导的TU Delft团队开始通过3D打印植入物来解决这个问题。
 
根据Zapdoor的说法,“髋关节植入物行走时,假体会受到各种力量的作用,假体一侧的压力太大,可能会脱离骨头,这是非常不可取的。3D打印的混合假体髋关节植入物结合了一种材料,当拉伸时变厚,而另一侧变薄。这种双泊松比组合将提高植入物周围骨骼生长的机会,这意味着它们将被更安全地固定到位。”
 
TU Delft团队的实验对模拟骨样材料(具有骨的机械特性的特殊泡沫)所包围的植入物进行垂直压缩,该力类似于施加在人体植入物上的应力,由于这种压力,新的植入物膨胀,导致两侧的骨周围受到压迫。当植入物最终用于人体时,正是这种压缩确保改进的植入物固定。据悉,该研究结果已经发表在英国皇家化学学会同行评议期刊
 
“Materials Horizons”上。
 
3D打印钛网植入物促进骨再生
 
近日,来自哈佛Wyss 研究所、Julius Wolff研究所、柏林- 勃兰登堡再生疗法中心和Charité肌骨胳外科中心的合作研究团队聚集在一起,研究3D打印钛网支架在植入物中的益处。最近在《科学转化医学》杂志上发表的临床前研究报告表示,3D打印的支架确实有助于优化患者的骨再生。
 
在医疗领域内,大型骨缺损或损伤的治疗仍然是一个棘手的领域。但来自Charité肌肉骨骼外科中心的研究小组已经证明,能够通过设计和制造定制的3D 打印支架来治疗大的骨缺损。
 
 
 
这种方法是通过使用患者骨骼的CT扫描,医疗团队生成缺陷骨骼的3D模型。这种3D打印结构对于促进骨再生至关重要,因为它允许医生用病人的骨组织、生长因子和骨替代材料填充植入物。到目前为止,Charité肌肉骨胳外科中心已经将定制的3D打印骨支架植入到共19名患者中,所有患者都展示出良好的治愈希望。目前,合作团队正在设计和生产使用3D打印技术的软质、机械生物学优化的钛网支架。该团队表示,它的技术甚至可以用来治疗脊柱、口腔和颌面部缺陷。
 
德国EIT新兴3D打印植入物获FDA批准
 
Emerging Implant Technologies(EIT)是第一家在骨科领域专注于使用增材制造植入物的医疗器械制造商,专门用3D打印植入物治疗脊柱疾病,技术在业内十分突出。EIT的专长是其Cellular Titanium技术,这是一种多孔钛材料,其结构接近于皮质和松质骨,这种设计有利于天然骨的再生和结合,对医疗领域和需要植入物治疗的患者有重大影响。
 
在去年,Celluluar Titanium脊柱植入物就获得了美国食品和药物管理局(FDA)批准,如今EIT再次获得FDA批准, 据了解此次扩大EIT Cellular Titanium应用后可用于多个连续的颈椎水平(C2到T1)。通过适应最大化的椎体终板接触和矢状平衡恢复,宫颈网架的设计有助于颈椎多层融合的手术和生物力学挑战。EIT公司专有的3D打印工艺支持植入物的融合潜力,包括印后蚀刻程序,并允许使用传统制造技术无法制造的独特多孔结构。
 
众所周知,脊椎病一直难以治疗,这就是EIT所提供的技术令人兴奋的原因。该公司的Cellular Titanium植入物不仅可以代替,而且有助于重新生长骨骼,从而导致患者更快、更完整的愈合。此外,EIT 还有更多的创新产品进入市场。今年第二季度,公司计划在其产品组合中增加一个横向腰椎笼,并在第四季度增加一个完全3D打印的横向扩展笼。
 
Extremiti3D获20万美元投资用于开发3D打印假肢插座
 
近期,南卡罗来纳州的一家专门从事3D打印假肢插座和化妆品覆盖的公司Extremiti3D LLC 获得了南卡罗来纳州研究机构(SCRA)的投资。据悉,SCRA 是一家促进南卡罗莱纳州创新经济发展的公共非营利性公司。
 
Extremiti3D的Johns Island与认证的假肢专业人员合作,制造出3D打印假体插座和化妆品覆盖物,可以在短时间内生产,比传统制造的产品更舒适。3D扫描用于扫描患者的解剖结构,而3D打印则用于制造定制产品。SCRA执行董事Bob Quinn说:“Extremiti 3D正在利用先进的制造技术为截肢者提供定制产品。他们正在做的工作将对他们的客户产生巨大的影响。”
 
那么,为什么这些3D打印假体插座和化妆品覆盖物被认为如此有价值?据悉,在美国150万下肢截肢者中,约四分之三的人使用人造石膏成形和热成形加工方法制造人造义齿窝。而根据Extremiti3D解释,这些过程是“过时的、慢的、昂贵的、不精确的”。另一个是由部分自动化CAD/CAM雕刻解决方案捏造的。虽然更好,但是这个过程往往会导致不合适的结果。
 
Extremiti 3D的解决方案由三维扫描和打印工艺组成,将单个假体制造时间减少了80%,成本降低了57%,并且生产出更加舒适的假体。根据Extremiti3D网站宣称,碳纤维增强材料被用于3D打印假体,可以在获得3D扫描数据的48小时内制造和发货。该公司的保护性假肢盖也可用于各种肤色或图案。
 
Extremiti3D的服务业务计划将在2018年第三季度完成,公司有信心取得成功。
 
多面助攻——牙科和药物
 
3D打印牙齿要来了
 
从去年年底到今年上半年,北京大学口腔医院唐志辉教授主导的" 增材制造和激光制造" 重点专项项目" 增材制造个性化牙种植体与颌面骨、颞下颌关节修复体" 的关键技术研发取得了突破性的进展。据了解,通过3D打印技术,这个项目在实践中不仅可以大幅降低治疗周期以及成本,还可以减少患者的疼痛感。另外,该项目目前已经完成动物实验,不久也将进入到临床试验。
 
事实上,牙种植技术虽然很适用于牙齿修复领域,但目前我国对这项技术的应用仍然不够普及。据悉,2016年全球牙种植体使用量约为1800万颗,而我国仅占80万颗,比例不足5%。据业内相关人士透露,之所以会有这种现象,首先是因为牙种植技术复杂。此外,还有一个重要的原因-- 牙种植体市场长期被国外产品垄断,价格高昂。目前,一颗种植牙的手术费、种植体费用以及牙冠费用汇总约1.6万元。其中,占比最高的为种植体的价格。但由于3D打印技术在医疗上的领域越来越广泛,这种情况将有所好转。
 
 
 
 
对此,唐志辉教授介绍说,3D打印设备将会打印出与原来的牙齿一样的牙冠和牙根。由于这颗牙齿与原来的牙齿一样,因此,患者在种牙时既不需要额外植骨,也不需要再给牙槽骨打洞,制备植牙孔。这样一来,患者将不仅能减轻创伤程度、缩短修复时间,还可以大大降低费用。据估计,种一颗私人订制的“3D打印牙”费用在万元以内。
 
第一个获FDA 批准的3D打印药物正式上市
 
日前,Aprecia制药公司宣布之前获得美国食品药物监督管理局(FDA)批准的产品SPRITAM(左乙拉西坦)片剂正式上市,这是史上第一个FDA批准的使用3D打印技术制造的处方药产品。
 
Levetiracetem(左乙拉西坦)是一种口服药物,可作为各种癫痫疾病的儿童和成人处方治疗的一部分。该药片只需一小口水就可以瞬间溶解,大大提升了服药的舒适度,尤其是在患者需要一次服用很大剂量药物的时候。俄亥俄州辛辛那提Riverhills神经科学中心的神经学家Marvin H. Rorick III博士表示:“有的癫痫病人有时可能会出现吞咽障碍,或者有的孩子在日常中不愿意按时服药等,对于这些患者来说,坚持可能是一个挑战。这种能够快速溶解的药物能够帮助老人和儿童更加轻松地管理这种疾病。”
 
Aprecia公司曾表示,药片生产由于使用了ZipDose技术, 高达1000毫克剂量的药片只需一口果汁就可以轻松咽下。有业内人士表示,3D打印药物实际上说的是一种制剂加工技术,是在传统制药采用的压片法上进行了创新,对于药物配方并没有什么改变。除上述癫痫症治疗药物外,Aprecia公司计划推出一系列药物,用于治疗中枢神经系统疾病。
 
仅10分钟便可生产定制药物的3D打印机问世
 
去年底,罗德岛州的初创公司Vitae Industries开发了一种可以打印制药丸和糖果的3D打印机——AutoCompounder。据了解, 这种打印机可以在传统生产方式的三分之一时间内进行胶囊填充,整个打印过程只需要10分钟左右,而且操作结束后机器可自行进行清理。不仅如此,通过这种打印机,药剂师将能够打印“多药丸”,即将多种药物组合在一个药丸中,使患者服用药物更简单。
 
虽然为个体患者制定个性化药物比标准剂量药丸的大规模生产更耗时,但据称,AutoCompounder 的速度足以使个性化生产成为可行途径。目前,这家公司已经吸引了一批投资者的注意,迄今为止,Vitae Industries已经收到了包括BoxGroup、Techstars和Lerer Hippeau Ventures 在内的约200万美元的投资。显然,这些投资者看到了AutoCompounder的盈利能力。目前,Vitae Industries 公司正在测试其原型药,并计划将在今年进行大规模生产。
 
结语
 
通过以上盘点,我们了解了近期医用3D打印技术的部分发展情况。由于3D打印在技术上的优势契合了医疗行业对仪器和器官等的需求,所以近年来,3D打印行业在医疗行业拥有越来越深入的应用。然而3D打印材料、设备及技术在一定程度上制约了3D打印技术在医疗行业的应用,因此只有突破制约,才能促使医疗3D打印行业更好地发展。