醫用3D列印的新工藝與新材料是骨科植入製造的技術支撐

在骨科植入物製造領域。新工藝、新材料、新的設計理念不斷出現，有力地推動骨科植入製造業的發展。在新工藝方面：醫用金屬3D列印的出現。使我們得以直接列印出可植入人體的植入物；假體多孔表面的製造及相關部位的設計將發生根本性的變化；個體化植入物的製造將以更快的速度和更經濟的方式實現，更貼近臨床的需求；一些過去難以實現的結構設計將成為現實。隨著該項技術的發展。在新材料方面：PEEK（聚醚醚酮）材料以其優良的製造性能和機械性能，對聚乙烯材料形成巨大的挑戰，在脊柱，創傷和關節領域全面進入使用；可降解鎂合金的研究在發達國家和中國都取得了可喜的成果，進入臨床試用階段。

應該說，上述均是骨科植入物製造業中的新技術與生命周期的完美結合。值此本文從高端製造技術與生命科學完美結合的角度對醫用金屬3D列印工藝技術及PEEK生物材料在醫療骨科植入等領域中的應用作研討。與此同時重點對其技術特徵、架構與典型醫療應用的方案作分析說明。

在醫療領域，創新就是生命。在醫學研究和臨床實踐中，醫生面臨幾大挑戰：醫療器械、醫用產品的精準度和質量需要達到極高的標準；需要在最短的時間，做出對病人高度定製化的治療方案；因為植入式醫療器械與移植用的組織器官都具有高度的複雜性，而且這些器械或組織器官需要適應不同的患者的特殊情況，從產品的角度這意味著高度的個性化和定製化。用傳統方法製造不僅十分困難，還會面臨成本大幅上升的困境。面對這新的挑戰應用3D列印技術可以為醫療領域帶來前所未有的變革，即3D列印技術則非常適合應用於這種需要少量地定製複雜物體的領域。也就是說借力3D列印技術，特別是噴墨式3D列印技術和激光選區熔化(selective laser melting, SLM) 技術，則醫生、研究人員和醫療設備製造商可以快速、準確地為患者帶來高精度、個性化的醫療器械和治療計劃，達到高效、高質量的治療效果，提升患者的生活質量。

傳統數控制造主要是「去除型」，即在原材料基礎上，使用切割、磨削、腐蝕、熔融等辦法，去除多餘部分，得到零部件，再以拼裝、焊接等方法組合成最終產品，而3D列印則顛覆了這一觀念，無需原胚和模具，就能直接根據計算機圖形數據，通過一層層增加材料的方法直接造出任何形狀的物體，這不僅縮短產品研製周期、簡化產品的製造程序，提高效率，而且大大降低了成本，因此被稱為「增材製造」。 當前已有醫用3D列印設備、醫用3D列印應用及醫用3D列印材料三個開發方向。值此僅以醫用3D列印設備、醫用3D列印應用為重點作分析研討。

當今醫用3D列印設備有多種類型，其典型而廣泛的有噴墨式細胞印表機與磁懸浮醫用3D印表機和醫用金屬3D印表機兩大類，在此僅對這兩大類作分析。

●噴墨式細胞印表機與磁懸浮醫用3D印表機噴墨式細胞印表機是最先應用在醫用3D列印技術中的設備。這種印表機使用生物墨水或生物細胞絲列印成薄片狀組織然後將薄片輸出到噴墨印表機的出口處。出口處有一個容器讓薄絲狀組織層層堆疊在一起以形成組織或器官。 磁懸浮醫用3D印表機，在細胞沉積在生物相容性支架的3D列印方法基礎上作了改進，採用具有生物兼容性的磁性納米顆粒作為支架材料，將細胞列印到3D結構上，這種方法被稱為磁性懸浮法(MLH)。這項技術是用一種被稱為納米穿梭的磁性納米顆粒將細胞磁化，再用空間中變化的磁場將細胞懸浮起來，通過這種方法在體外條件下複製體內環境，經過培養之後則形成想要的3D多細胞層結構。改進後成本更低，速度更快。

●醫用金屬3D列印 先述金屬3D列印設備的理念。金屬零件3D列印技術作為整個3D列印體系中最前沿和最有潛力的技術，是先進位造技術的重要發展方向。按照金屬粉末的添置方式將金屬3D列印技術分為二類：其一是使用激光照射預先鋪展好的金屬粉末，即金屬零件成型完畢後將完全被粉末覆蓋。這種方法目前被設備廠家及各科研院所廣泛採用，包括直接金屬激光燒結成型(Direct Metal Laser SIntering，DMLS)、激光選區熔化型等；其二是使用激光照射噴嘴輸送的粉末流，激光與輸送粉末同時工作(Laser Engineered Net ShaDing, LENS)，該方法目前在國內使用比較多；其三是採用電子束熔化預先鋪展好的金屬粉末(E1ectron Beam Melting, EBM)，此方法與第1類原理相似，只是採用熱源不同。 上述中，其激光選區熔化(SLM)技術是金屬3D列印領域的重要分支，它採用精細聚焦光斑快速熔化300-500目的預置粉末材料，可以直接獲得幾乎任意形狀、具有完全冶金結合的功能零件。

緻密度可達到近乎100％，尺寸精度達20-50微米，表面粗糙度達20-30微米，是一種極具發展前景的快速成型技術，也成為了國內外快速成型領域的熱點，而且其應用範圍已拓展到醫療及航空航天、汽車、模具等領域。值此僅對SLM設備基本架構及組成說明。 SLM的基本架構是： 由光路單元（光纖激光器、擴束鏡相反射鏡、掃描振鏡、F-θ聚焦透鏡）、機械單元（鋪粉裝置、成型缸、粉料缸及成型密封設備）、控制單元（計算機和多塊控制卡）、工藝軟體、保護氣密封單元幾個部分組成。 SLM設備中的具體成型過程：先在計算機上利用pro/e、UG、CATIA等三維造型軟體設計出零件的三維實體模型，然後通過切片軟體對該三維模型進行切片分層，得到各截面的輪廓數據，由輪廓數據生成填充掃描路徑，設備將按照這些填充掃描線，控制激光束選區熔化各層的金屬粉末材料，逐步堆疊成三維金屬零件。其SLM設備中的具體成型過程如圖1所示。 激光束開始掃描前，鋪粉輥（裝置）先把金屬粉末平推到成型缸的基板上，然後激光束按當前層的填充輪廓線選區熔化基板上的粉末，加工出當前層，然後成型缸下降一個層厚的距離，粉料缸上升一定厚度的距離，鋪粉裝置再在已加工好的當前層上鋪好金屑粉末。設備調入下一層輪廓的數據進行加工，如此層層加工，直到整個零件加工完畢。整個加工過程在通有惰性氣體保護的加工室中進行，以避免金屬在高溫下與其他氣體發生反應。

再述醫用金屬3D列印 醫用的金屬列印一般用於人造骨骼，有兩種技術可供應用，分別是電子束選區熔化(EBM)和激光選區熔化(SLM)。兩者都是將層薄金屬粉末選區加熱熔化粘結成模型的。其中EBM用高速電子束射向粉末來進行加熱，而SLM是用激光加熱金屬粉末。 也就是說，以電子束為能量源的選擇性金屬激光熔融3D列印，則能「打」出三維的立體實物來，也就是說能直接列印出骨架件而不是模型。

應該說鈦合金、鈦鋼、鈷鉻鉬合金(CoCrMo)、鎂合金、磷酸鈣醫用無機材料、醫用有機材料（自身幹細胞、軟骨組織及相似高分子化合物、可溶解塑料、降溫融化墨水）等均是常用傳統的醫用3D列印材料。但隨著骨科植入物製造領域的新工藝、新材料、新的設計理念不斷出現，則如今PEEK材料已成為是當今醫療植入領域應用的一顆新星。據此，將PEEK材料在醫療植入領域在變革醫療領域的應用作重點研討。

PEEK（聚醚醚酮）是芳香族結晶型熱塑性高分子材料,其熔點為334℃，具有機械強度高、耐高溫、耐衝擊、阻燃、耐酸鹼、耐水解、耐磨、耐疲勞、耐輻照及良好的電性能。而耐高溫、耐磨性及無毒性是醫療植入應用的重要特徵。

PEEK（聚醚醚酮）樹脂是—種具有超高性能的特種工程塑料，是目前熱塑性樹脂中耐熱等級最高，綜合性能最優異的一類樹脂。該PEEK生物材料因具有耐高溫、耐磨性及無毒性，故它在醫療植入領域的應用潛力巨大，是醫療植入領域的應用的一顆新星。值此，應從它的基本特徵述起。 PEEK的超高性主要呈現了耐高溫、耐磨性及無毒性等幾個方面：其一是耐高溫性，PEEK具有較高的玻璃化轉變溫段(Tg=143℃)和熔點(Tm=334℃)，其負載熱變形溫度高達316℃，長期使用溫度為260℃，瞬時使用溫度可達300℃；韌性和剛性，PEEK具有韌性和剛性，特別是對交變應力下的抗疲勞性非常突出，可與合金材料相媲美，彈性模量與皮質骨相近；其二是耐磨性，PEEK具有優良 的滑動特性，通過用碳纖維、石墨和PTFE改性後，其耐磨性更加優良，適合於嚴格要求低摩擦係數和耐磨耗用途的場合；其三是無毒性，PEEK無毒，可用於食品衛生、醫療器械等領域。除上述之外，還具有耐疲勞性及韌性和剛性。

目前，基於與醫療相關的優異性能，PEEK已廣泛應用於創傷、脊柱及關節外科內植人物等領域。以下列舉了 一些典型應用。 椎間融合器 隨著頸椎手術內固定系統種類的不斷更新及技術的不斷進步，椎間減壓植骨融合內固定術已成為趨於成熟的手術方式，它能提供即刻頸椎穩定，牢固固定植骨塊，促進植骨融合，並可達到更徹底的手術減壓，減少再次手術，使患者術後早期活動，縮短住院時間。 近些年來，PEEK材料的椎間融合器已開始廣泛應用於頸椎前路手術。由於其多為解剖型，表面有棘狀突起及細鋼針，即時穩定性較良好，可減少植骨移位的發生率，同時增大了接觸面積，使應力有所分散，從而降低其沉降率。

此外，其操作方式簡單，椎間融合率高，彈性模量更 接近於椎體，使其更能維持椎間隙高度與頸椎生理彎曲度，較少引起相鄰椎節的退變。 在錐間融合器的應用中，PEEK能夠兼容X光拍照和磁共振成像，並且彈性模量值較低：而鈦金屬易於產生偽影，並因彈性模量高帶來較高的塌陷風險。因此，在該應用中PEEK比鈦金屬更具優勢。此外，PEEK可避免自體移植物的併發症以及同種異體移植物的缺陷。 髓內釘是一類典型的骨科植入器械 這類產品對生物相容性和耐摩擦磨損性能的高要求促進了新型骨科植入材料的開發和研製。如今已有多種骨科植入材料尤其是碳纖維增強聚醚酮複合材料(CF/PEEK)在植入器械領域的廣泛應用。 典型的應用有腰椎經椎弓根螺釘動態固定系統在完成椎管減壓後，植入椎弓根螺釘，在保持一定張力的情況下，將PEEK彈性棒固定於椎弓根釘。張力和壓力的大小通常決定了彈性棒的長度。該裝置的設計目的是卸載退變椎間盤和突關節的壓力負荷，同時保留正常的活動度。另外可降低椎弓根螺釘與骨界面的應力，進而降低螺釘拔出及斷釘風險。還有—個優點是有利於術後的放射學評估。

磁性元件與電源除此之外，還有在人造骨關節、工椎間盤及人工髓核、關節鏡縫合錨釘等獲得應用。

PEEK在脊柱手術，外傷和骨科類醫療產品的臨床應用越來越廣泛。與鈦、鈷鉻合金等典型的醫用植人材料相比，其優勢就在於：較低的彈性模量，可防止應力遮蔽效應，使周邊骨頭保持強度。可透過X射線，在CT和MRI掃描時不可見，因而可較容易地評估骨頭生長和治癒過程，在某些情況下需要看到植入體時，也可以通過樹脂改性來實現。優異的消毒性能，即使長期暴露在熱蒸汽，環氧乙烷和Y射線下，仍能保持其原有性質不改變。

以前外科醫生做手術前的參考只有CT掃描圖紙，不能以實體的方式了解手術的位置，導致手術風險增大，醫生要進行大量討論和計算才能實施手術，而如果能將病患處的CT模型直接列印出來則更方便醫生參考並制定手術方案。 典型例舉：腦瘤顱內模型 使用3D列印技術精準切除一顆複雜顱內腫瘤（國內湖南長沙湘雅醫院）。一患者確診為鞍結節腦膜瘤，病情危急。而患者的腫瘤位置深，周邊都是重要的神經組織，給手術增加難度。湘雅醫院專家團隊通過自主研發的E-3D數字化醫療三維設計系統，將患者的癥狀掃描獲得詳細的數據信息，轉化為三維模型，結合3D列印技術，將患者顱底腫瘤及周圍的組織精準的列印出來。通過這個模型，醫生掌握了腦瘤的位置、周圍的血 管神經分布並獲得了精準的數據，幫助醫生順利準備手術。 4/3!????? 外骨骼衣服 可設計一套外骨骼衣服，通過列印零件和電動零件的組合，可以讓癱瘓病人站起來行走。通過3D列印，這套外骨髂衣服完美地貼合病人的腿部和背部，讓她像普通人一樣行走。 骨骼固定支架（見圖3所示）

通過3D列印技術製造出了一款專門用於治療骨折的工具，以取代傳統笨重的石膏。骨骼固定架由聚醯胺構成，具有輕質、透氣、可清洗的特點。病人首先經過X—射線和三維掃描確定斷裂的確切位置和骨折的肢體尺寸，然後將數據輸入計算機，生成的量適合患者梯形的最佳支持。 牙科整形器械 包括手術導板、牙冠牙橋、舌側正畸托槽等。由於口腔內部結構形狀複雜，用傳統方式加工難度較大，且其尺度大小也適宜使用3D列印技術，己被廣泛應用於牙科整形，是用3D列印技術應用發展最快的領域之一。

醫用3D列印除上述在骨科植入中的應用外，還在移植用器官與組織器官中的獲得應用。

骨骼共有三種利用3D列印技術修復骨骼的技術，分別是鈦骨骼替換、幹細胞修復和磷酸鈣骨骼支架。鈦骨骼替換是用鈦金屬粉末列印出多孔的骨骼形狀然後直接替換原有的病變骨骼，釷金屬具有良好的生物相容性，但它不會降解；磷酸鈣骨骼支架可以讓骨細胞在其中正常發育並形成真正的骨骼，隨後這種材料可以在體內自然溶解；幹細胞修復是將自體幹細胞列印到病變的骨骼，從而使其恢復。

僅此以多功能的3D列印心臟薄膜為例作說明 多功能的3D列印心臟薄膜（見圖4所示） 現已研發成列印出一種硅膠類的柔性材料作為心臟薄膜。其列印的這種薄膜是根據每個病人心臟不同的外形量身打造的，能夠完整完美包裹目標心臟。當這個依據心臟形狀建好的薄膜列印好後，他們再列印一些晶元在薄膜里，比如一些能夠測PH值、壓力、變形，甚至能產生脈衝等等的各種晶元，這些晶元隨著這層薄膜再被置入到人體內。這樣就可以實時監測人體內部的一些情況，幫助醫生診斷心臟的健康情況，儘早預防或治療可能發生的問題和疾病。 5!??? 由上可見，個體化定製型植入物的需求在骨科各個領域頻頻出現，針對這種需求的快速響應數字製造系統將取得重要的發展。雲技術的出現和應用將為未來個體化植入物的製造提供有力的技術支撐。 僅近幾年，醫用3D列印技術已經在列印設備、列印材料和列印應用等方面有了多元化發展與新的進歩，已深入滲透到醫學領域的方方面面，以及產生了大量的有待臨床驗證治療方法，這將為醫療領域帶來跨越式發展，並由 此促使醫療審核制度發生變化，創造出更為直接、周期更短的醫療審核技術。（南極熊）

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