玩轉醫療領域——3D列印時代大步走來
3D列印
得益於精細度高、成品堅固和可複製複雜幾何模型等優勢，3D列印技術逐漸應用于越來越多的行業領域。尤其是近年來，工業級3D列印設備在航空航天、汽車製造、醫療衛生以及藝術品複製等領域展現了良好的發展態勢。其中，醫療和外科中心對3D列印的需求佔市場份額的三分之二。
據市場資訊機構Allied Market Research數據統計，2015年全球3D列印醫療保健市場的銷售額為5.79億美元，預計2020年將增長至23.638億美元，而2015年至2020年，全球3D列印醫療保健市場的平均增長率預計將達26.6%，3D列印技術在醫療行業的應用潛力十足。
本文分享近期3D列印技術在醫療領域的部分應用案例及最新發展，供讀者了解。
強大助力——醫療輔助部件
3D列印截骨工具輔助膝關節置換手術
近期，惠州市第一人民醫院採取WRIGHT 3D列印技術定製截骨工具，成功實施了一例膝關節置換手術。據了解，接受此次手術的患者患有右膝關節骨性關節炎，需進行膝關節置換手術。據主刀醫生介紹，對於膝關節置換手術，手術前的策劃很重要，要根據病人原本的解剖機構去設計各種角度，比如股骨外翻角度、旋轉角度、脛骨的後傾角度旋轉等。而本次採用WRIGHT 3D列印技術，首先就要將患者的CT數據傳送到供應服務的醫療3D列印技術公司，截骨的度數、矯正畸形的程度，再使用高密度尼龍材料，列印出符合公司通過計算機策劃計算出的各種患者骨骼形狀的3D列印截骨工具。
而藉助3D截骨工具，此次手術時間較以往同類手術平均時間減少了約40分鐘，而且膝關節假體也與該名患者的真骨高度貼合。手術過程十分順利，約一天後，該患者已可嘗試下地行走。
利用3D列印模型完成腎移植手術
最近，一個3D列印的腎臟手術模型幫助英國北愛爾蘭Belfast醫院的外科醫生完成了一個非常複雜的手術。來自Belfast的22歲女性波琳?芬頓患有晚期腎病，完全依靠透析治療。醫生髮現波琳父親是一個合適的腎臟捐贈者，但在其父親要捐獻的腎臟上發現一個潛在的癌性囊腫。在此情況下，醫生必須確保囊腫的精確完整切除以獲得最大的健康移植組織。
考慮到移植準備的複雜性，外科醫生與當地的醫療3D列印公司axial3D合作。axial3D使用CT掃描成像構建威廉芬頓腎的精確1：1模型。然後使用粘合劑噴射技術在axial3D實驗室中對模型進行3D列印。Belfast醫院的外科醫生計劃並排練了該模型的手術，其中包含了囊腫的精確尺寸和位置，並考慮了所有的併發症。而這種洞察力在標準的術前影像檢查中是無法實現的。負責此次手術的團隊表示，腎臟模型對於他們規劃手術的最佳步驟是有利的。最終，囊腫去除和腎臟移植成功，而波琳也重獲新生。
3D列印技術首次造出類腦組織
美國《趣味科學》網站日前報道稱，英國科學家近日使用新的3D列印技術，首次列印出像人腦一樣柔軟的類腦組織，這向最終3D列印出功能齊備的完整大腦邁出重要一步。以往，只有相對硬一些的材料可被3D列印出來，而大腦、肺等軟組織，一般很難通過3D列印技術獲得。這是因為3D列印過程涉及逐層建造物體，下層要能支撐不斷增長的結構的重量，而列印非常柔軟的材料，則容易出現底層材料崩塌問題。
此次，研究人員使用一種新型複合水凝膠（包含水溶性合成聚乙烯醇以及植物凝膠兩種成分），列印出三維支架，然後用膠原蛋白包裹列印出結構，並用人類細胞進行填充，得到了類腦軟組織。為解決列印軟組織難這一問題，研究人員在列印過程中進行了降溫處理。
據悉，該技術目前還存在不少局限性，比如，僅能製造出類腦組織的小樣本，而非整個大腦。研究人員認為，要使用3D列印技術獲得功能齊備的複雜人類器官（大腦或肺等），可能還要等數十年時間，但該技術獲得的組織可幫助科學家研究大腦或肺在不同環境下（如腦外傷等）的行為。
開發用於組織重建的生物3D列印聚合物
最近，法國醫療設備公司Gecko Biomedical從「未來投資計劃」（PIA）處獲得了600萬歐元（合740萬美元）的資金。這筆資金將主要用於促進用於組織重建和周圍神經治療的專用生物3D列印聚合物的開發和工業化。這家總部位於巴黎的公司目前正在開發生物3D列印合成聚合物的「獨家平台」，據說這可以實現組織重建。同時，具有生物相容性和生物可吸收性的材料被設計為在手術期間粘附到內部組織，以幫助患者組織的自然重建。
Gecko Biomedical將3D列印材料比作一種「屏障或密封劑」，可以在手術過程中和手術後輔助組織重建。此外，該公司表示，組織植入物被設計為由特定類型的光「激活」，並且可以以高解析度進行3D列印以獲得最佳效率。
該公司解釋說，其創新研究的目標是通過使用「3D列印的微導管」和生物相容性粘合劑來重建周圍神經，這種粘合劑可以替代傳統的縫合線。Gecko Biomedical公司首席執行官Christophe Bancel表示：「我們還打算通過我們的3D列印平台的工業和臨床開發加快我們的戰略第二階段，通過利用我們的聚合物作生物醫學樹脂，以及通過最先進的3D列印技術，優化國有醫療機構植入物的生物可吸收和高解析度特性。」
完美結合——醫療植入物
TU Delft推出獨特3D列印髖關節植入物
植入物鬆動是影響醫療裝置長期有效性的問題之一，尤其是對於臀部區域的裝置。有預測稱，到2020年全世界髖關節假體的數量預計將達250萬個/年，而按照目前的技術，約10％的假體在術後10年內會失去固定作用。由Amir Zadpoor領導的TU Delft團隊開始通過3D列印植入物來解決這個問題。
根據Zapdoor的說法，「髖關節植入物行走時，假體會受到各種力量的作用，假體一側的壓力太大，可能會脫離骨頭，這是非常不可取的。3D列印的混合假體髖關節植入物結合了一種材料，當拉伸時變厚，而另一側變薄。這種雙泊松比組合將提高植入物周圍骨骼生長的機會，這意味著它們將被更安全地固定到位。」
TU Delft團隊的實驗對模擬骨樣材料（具有骨的機械特性的特殊泡沫）所包圍的植入物進行垂直壓縮，該力類似於施加在人體植入物上的應力，由於這種壓力，新的植入物膨脹，導致兩側的骨周圍受到壓迫。當植入物最終用於人體時，正是這種壓縮確保改進的植入物固定。據悉，該研究結果已經發表在英國皇家化學學會同行評議期刊「Materials Horizons」上。
3D列印鈦網植入物促進骨再生
近日，來自哈佛Wyss研究所、Julius Wolff研究所、柏林-勃蘭登堡再生療法中心和Charité肌骨胳外科中心的合作研究團隊聚集在一起，研究3D列印鈦網支架在植入物中的益處。最近在《科學轉化醫學》雜誌上發表的臨床前研究報告表示，3D列印的支架確實有助於優化患者的骨再生。
在醫療領域內，大型骨缺損或損傷的治療仍然是一個棘手的領域。但來自Charité肌肉骨骼外科中心的研究小組已經證明，能夠通過設計和製造定製的3D列印支架來治療大的骨缺損。
這種方法是通過使用患者骨骼的CT掃描，醫療團隊生成缺陷骨骼的3D模型。這種3D列印結構對於促進骨再生至關重要，因為它允許醫生用病人的骨組織、生長因子和骨替代材料填充植入物。到目前為止，Charité肌肉骨胳外科中心已經將定製的3D列印骨支架植入到共19名患者中，所有患者都展示出良好的治癒希望。目前，合作團隊正在設計和生產使用3D列印技術的軟質、機械生物學優化的鈦網支架。該團隊表示，它的技術甚至可以用來治療脊柱、口腔和頜面部缺陷。
德國EIT新興3D列印植入物獲FDA批准
Emerging Implant Technologies（EIT）是第一家在骨科領域專註於使用增材製造植入物的醫療器械製造商，專門用3D列印植入物治療脊柱疾病，技術在業內十分突出。EIT的專長是其Cellular Titanium技術，這是一種多孔鈦材料，其結構接近於皮質和松質骨，這種設計有利於天然骨的再生和結合，對醫療領域和需要植入物治療的患者有重大影響。
在去年，Celluluar Titanium脊柱植入物就獲得了美國食品和藥物管理局（FDA）批准，如今EIT再次獲得FDA批准，據了解此次擴大EIT Cellular Titanium應用後可用於多個連續的頸椎水平（C2到T1）。通過適應最大化的椎體終板接觸和矢狀平衡恢復，宮頸網架的設計有助於頸椎多層融合的手術和生物力學挑戰。EIT公司專有的3D列印工藝支持植入物的融合潛力，包括印後蝕刻程序，並允許使用傳統製造技術無法製造的獨特多孔結構。
眾所周知，脊椎病一直難以治療，這就是EIT所提供的技術令人興奮的原因。該公司的Cellular Titanium植入物不僅可以代替，而且有助於重新生長骨骼，從而導致患者更快、更完整的癒合。此外，EIT還有更多的創新產品進入市場。今年第二季度，公司計劃在其產品組合中增加一個橫向腰椎籠，並在第四季度增加一個完全3D列印的橫向擴展籠。
Extremiti3D獲20萬美元投資用於開發3D列印假肢插座
近日，南卡羅來納州的一家專門從事3D列印假肢插座和化妝品覆蓋的公司Extremiti3D LLC獲得了南卡羅來納州研究機構（SCRA，一家促進南卡羅萊納州創新經濟發展的公共非營利性公司）的投資。
Extremiti3D的Johns Island與認證的假肢專業人員合作，製造出3D列印假體插座和化妝品覆蓋物，可以在短時間內生產，比傳統製造的產品更舒適。3D掃描用於掃描患者的解剖結構，而3D列印則用於製造定製產品。SCRA執行董事Bob Quinn說：「Extremiti 3D正在利用先進的製造技術為截肢者提供定製產品。他們正在做的工作將對他們的客戶產生巨大的影響。」
Extremiti 3D的解決方案由三維掃描和列印工藝組成，將單個假體製造時間減少了80％，成本降低了57％，並且生產出更加舒適的假體。根據Extremiti3D網站宣稱，碳纖維增強材料被用於3D列印假體，可以在獲得3D掃描數據的48小時內製造和發貨。該公司的保護性假肢蓋也可用於各種膚色或圖案。
Extremiti3D的服務業務計劃將在2018年第三季度完成，公司有信心取得成功。
多面助攻——牙科和藥物
3D列印牙齒要來了
2017年9月，北京大學口腔醫院唐志輝教授主導的"增材製造和激光製造"重點專項項目"增材製造個性化牙種植體與頜面骨、顳下頜關節修復體"的關鍵技術研發取得了突破性的進展。據了解，通過3D列印技術，這個項目在實踐中不僅可以大幅降低治療周期以及成本，還可以減少患者的疼痛感。另外，該項目目前已經完成動物實驗，不久也將進入到臨床試驗。
事實上，牙種植技術雖然很適用於牙齒修復領域，但目前我國對這項技術的應用仍然不夠普及。據悉，2016年全球牙種植體使用量約為1800萬顆，而我國僅佔80萬顆，比例不足5%。據業內相關人士透露，之所以會有這種現象，首先是因為牙種植技術複雜。此外，還有一個重要的原因--牙種植體市場長期被國外產品壟斷，價格高昂。目前，一顆種植牙的手術費、種植體費用以及牙冠費用匯總約1.6萬元。其中，佔比最高的為種植體的價格。但由於3D列印技術在醫療上的領域越來越廣泛，這種情況將有所好轉。
對此，唐志輝教授介紹說，3D列印設備將會列印出與原來的牙齒一樣的牙冠和牙根。由於這顆牙齒與原來的牙齒一樣，因此，患者在種牙時既不需要額外植骨，也不需要再給牙槽骨打洞，製備植牙孔。這樣一來，患者將不僅能減輕創傷程度、縮短修復時間，還可以大大降低費用。據估計，種一顆私人訂製的"3D列印牙"費用在萬元以內。
第一個獲FDA批准的3D列印藥物正式上市
日前，Aprecia製藥公司宣布之前獲得美國食品藥物監督管理局（FDA）批准的產品SPRITAM（左乙拉西坦）片劑正式上市，這是史上第一個FDA批准的使用3D列印技術製造的處方葯產品。
Levetiracetem（左乙拉西坦）是一種口服藥物，可作為各種癲癇疾病的兒童和成人處方治療的一部分。該藥片只需一小口水就可以瞬間溶解，大大提升了服藥的舒適度，尤其是在患者需要一次服用很大劑量藥物的時候。俄亥俄州辛辛那提Riverhills 神經科學中心的神經學家Marvin H. Rorick III博士表示：「有的癲癇病人有時可能會出現吞咽障礙，或者有的孩子在日常中不願意按時服藥等，對於這些患者來說，堅持可能是一個挑戰。這種能夠快速溶解的藥物能夠幫助老人和兒童更加輕鬆地管理這種疾病。」
Aprecia公司曾表示，藥片生產由於使用了ZipDose技術，高達1000毫克劑量的藥片只需一口果汁就可以輕鬆咽下。有業內人士表示，3D列印藥物實際上說的是一種製劑加工技術，是在傳統製藥採用的壓片法上進行了創新，對於藥物配方並沒有什麼改變。除上述癲癇症治療藥物外，Aprecia公司計劃推出一系列藥物，用於治療中樞神經系統疾病。
結語
由於3D列印在技術上的優勢契合了醫療行業對儀器和器官等的需求，所以近年來，3D列印行業在醫療行業擁有越來越深入的應用。然而3D列印材料、設備及技術在一定程度上制約了3D列印技術在醫療行業的應用，因此只有突破制約，才能促使醫療3D列印行業更好地發展。
小編有話說
明天，就是......
亞洲3D列印、增材製造展覽會(TCT Asia)
為期3天（2018.3.1~3）
地址：上海新國際博覽中心
有興趣去看看也是極好的。
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