上海交大附屬九院姜聞博：3D打印個性化定制醫(yī)療器械的研發(fā)和風(fēng)險管理

姜聞博：上海交大附屬九院3D打印中心副主任。主題：3D打印個性化定制醫(yī)療器械的研發(fā)和風(fēng)險管理

    姜聞博：今天報告的題目是3D打印個性化醫(yī)療企業(yè)的研發(fā)和風(fēng)險的探索，剛才郝永強作了一個臨床案例的分析，我們的工作是幫助他們進(jìn)行臨床方案的設(shè)計和制造。
    3D打印是一個加工的技術(shù)，無論是鑄造也好的鍛造也好，加工也好，對人類文明產(chǎn)生了很大的推動。3D打印造成增材制造，歷史很短。很多人關(guān)注因為現(xiàn)在供大于求的，人類對產(chǎn)品的個性化和小量的需求越來越明顯。我們希望有一種加工方式實現(xiàn)定制產(chǎn)品的人性加工的制造。
    2的世紀(jì)的發(fā)展也強調(diào)的個性化，3D打印為什么能夠在臨床醫(yī)學(xué)上得到重視？
    一、它是一個分層制造自方式，可以制造任何的復(fù)雜的形狀。 二是逐點成型，可以實現(xiàn)多種結(jié)構(gòu)的制造。三是數(shù)字模型直接驅(qū)動的，無模制作。臨床是需要個性化的小批量的。
    醫(yī)療器械市場的規(guī)模，美國不到四億的人口1580億美元，中國是170億美元，所以說中國的市場前景是非�？春玫�。但是中國的公司很多的醫(yī)療器械出于低端的，我們中國的醫(yī)療產(chǎn)業(yè)界能借助新的技術(shù)，開發(fā)一些自主知識產(chǎn)權(quán)的，將它的技術(shù)達(dá)到國際的領(lǐng)先的水平，實現(xiàn)醫(yī)療器械領(lǐng)域的彎道超出。
    我們九院從上世紀(jì)八十年代開始研究的個性化的骨盆、髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)等等，實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。因為很多的醫(yī)療器械，比如說骨盆，我們?nèi)绾蝸硌芯總�性化醫(yī)療器械的過程。
    骨盆在整個被切除之后，我們要來重建，使它能夠恢復(fù)髖關(guān)節(jié)的中心，得到重建。（圖示）這個是我們需要的位置大小的不同，設(shè)計不同的形態(tài)骨盆的吸收的假體。
    （圖示）這個病人八年之后帶了一個6歲的兒子。
    第二代假體是數(shù)控加工的方式，一些標(biāo)準(zhǔn)化的固件實現(xiàn)生產(chǎn)好，這樣的話可以減少的加工的周期，因為那時候還沒有技術(shù)打印的技術(shù)，預(yù)先定制，采用組裝件的形式，現(xiàn)在是第二代的假體也做了很多臨床的病例，也是2000年之后做的，到2016年之后我們開發(fā)第三代的個性化的假體，采用的是金屬的技術(shù)，雖然我們做了20多年個性化骨盆的應(yīng)用，但是發(fā)現(xiàn)非常的分析。3D金屬打印出來之后就想到是否可以升級我們的產(chǎn)品，可以支配多功能一體化的支配。我們每一個個性化的設(shè)計都有九院的模式，因為這個東西是無法模仿的，只有九院自己探訪，我們針對每一個病患都要來設(shè)計，設(shè)計的方案都要經(jīng)過手術(shù)醫(yī)生、設(shè)計小組一起來確認(rèn)，每一個病人都有一個檔案。首先是外形的設(shè)計，你向醫(yī)生來討論，腫瘤缺損的范圍，如何來做手術(shù)，如何來結(jié)果，根據(jù)缺損的大小來設(shè)計假體，當(dāng)然這個假體不是一個完全的重建。骨科強調(diào)功能性的重建，并沒有說一定要對稱。還有固定的方式，如何與周圍的骨頭進(jìn)行結(jié)合。
    多孔結(jié)構(gòu)，它可以有表面涂層的工藝，我們剛剛也嘗試這樣的設(shè)計，發(fā)現(xiàn)很多的問題，我們的優(yōu)化方案根據(jù)臨床的需要設(shè)計多重的結(jié)構(gòu)，這也是一個非君制的建造，把這個形態(tài)、部位都可以設(shè)計。
    （圖示）每過一段時間我們會對材料的化學(xué)成份進(jìn)行一些測試。
    （圖示）這是一個周期檢，對打印假體，每過一個周期對它的內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，通過CT來做一個評判，看是否有缺陷。
    （圖示）這是一個康復(fù)的鞋墊，我自己做大概有一百多雙，解決了很多病人足體痛的問題。
    3D打印給很多的科室?guī)�來的進(jìn)步，包括骨科，導(dǎo)板植入，口腔科、整形外科、康復(fù)科都也設(shè)計。
    如何做風(fēng)險管理，這是我們自己的探索。
    一是臨床實驗的風(fēng)險的管理，有一個臨床專家委員會，你這個病例它是否適合做個性化的定制？
    二是設(shè)計的風(fēng)險，你做設(shè)計的時候，這個個性化的設(shè)計是否合理，你的加工方式是否可以實現(xiàn)，可制造性，有時候制造出來的東西想法很多，但是不一定做得出來，或者說做得出來不一定復(fù)雜。第一個假體設(shè)計成熟的時候，后面可以減少流程，但是第一個必須要有設(shè)計小組專家委員會來幫你做評估。然后是過程風(fēng)險的管理，關(guān)鍵工藝進(jìn)行分析和控制等等。
    我們個人認(rèn)為最大的危害或者說最大的個性化實現(xiàn)的瓶頸也好，關(guān)鍵的因素也好，關(guān)鍵在于臨床的醫(yī)生，這個手術(shù)做的比較少，你的風(fēng)險不足夠，你的設(shè)計方案都是不合理的，你靠工程師來實現(xiàn)你的設(shè)計和制造的話，顯然會有一個差距的。臨床醫(yī)生的風(fēng)險點會有一個很大的風(fēng)險點來進(jìn)行控制的。
    謝謝大家！

    主持人：謝謝姜聞博博士，接下來有請張冬云：北京工業(yè)大學(xué)教授。主題：SLM在醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用研究成果。

    張冬云：感謝主辦方的邀請讓我在這里來有機會跟大家分享我們的研究，北京工業(yè)大學(xué)3D打印中心是北京市支持的中心，把我們在3D打印方面的應(yīng)用在醫(yī)療和共同技術(shù)領(lǐng)域，我今天來分享我們做的一些研究。
    我們的視角跟純醫(yī)療的視角未必是很切合的，但是我們拿出來與大家共享和探討。報告包括了四個部分，首先講一下激光學(xué)內(nèi)容能夠做什么，第二部分講我們在模擬方面做的工作和調(diào)控方面做的工作。第三部分講一下我們做的一些工作。第四部分是我們在臨床的一些應(yīng)用。
    首先激光選驅(qū)熔化根據(jù)數(shù)字的模型來制造它的形狀，調(diào)控它的性能，我們把數(shù)字設(shè)計的概念融入到進(jìn)去，可以用特殊的方法，特殊的機械零件的設(shè)計的方法來進(jìn)行設(shè)計，根據(jù)某種零件或者說某種關(guān)節(jié)或者說部位要有一個特殊的功能，要進(jìn)行模擬進(jìn)行數(shù)字化的設(shè)計，我在這里面設(shè)計就包括了這兩種，把數(shù)字設(shè)計和模型結(jié)合起來，讓它具有特殊的功能，為我們的醫(yī)療、工程來服務(wù)。
    3D打印或者說激光選驅(qū)熔化是數(shù)字化的制造的過程，這個制造的過程非常的快，我們要求加工過程盡量短的時間，所以說它的熔值存在的時間非常的短。這個過程不可再現(xiàn)的用其他的手段，用模擬的手段來再現(xiàn)熔池的溫度場和流場（音譯）來控制它的整個過程和性能，讓它們滿足我們醫(yī)療方面應(yīng)用性能的要求，以及共同進(jìn)步上性能的要求。這是我們所做的一個工科的人在醫(yī)學(xué)上做的研究。我現(xiàn)在講的幾個方面是我們北京工業(yè)大學(xué)3D醫(yī)療打印中心工作的一部分。
    激光選驅(qū)熔化有一個數(shù)字的加工，把激光束數(shù)字化和熔池數(shù)字化，來再現(xiàn)激光選驅(qū)熔化過程中發(fā)現(xiàn)的物理、化學(xué)、冶金的現(xiàn)象。
    （圖示）這是我們做的溫度場，溫度場和流場的結(jié)合，熔池存在的時候，這個熱流都是沿著等值線垂直的方向，而且具有不同的速度，隨后我們就把熔池的發(fā)生的一些現(xiàn)象，隨著時間的變化做了一項工作，這個可以看出來，隨著時間的變化，熔池變化的情況，以及熔池形狀隨著時間的變化。激光在加熱材料的時候，它的加熱冷卻是怎樣一個過程，這個也描述得很好。
    （圖示）接下來這個模型是整個熔池加工過程，熔池不斷的凝固、熔化的過程，得以再現(xiàn)。熔池的尺寸大小的型號，隨著時間、速度和各種參數(shù)的變化我們都進(jìn)行了模擬，再現(xiàn)了整個加工的過程。甚至醫(yī)療上用得比較多的材料，太料立嗣反（音譯）形成的原因是我們要關(guān)注的，我們通過這樣一個數(shù)字模擬再現(xiàn)的過程，把氣孔形成的過程記錄了下來，揭示了這個氣孔形成的機制，因為在3D打印過程中，3D打印這個技術(shù)中鈦合金有這樣的氣孔，除此之外還有很多的材料，醫(yī)用的一些材料，大家關(guān)注的液態(tài)合金或者說鎂合金，鎂合金熔點低，升華點低，液態(tài)合金容易蒸發(fā)。我們對于一個材料，對于鈦合金的模擬的過程會輻射到其他的相應(yīng)的材料中來。
    （圖示）下面是它的氣口在整個熔池中隨著時間變化的情況，可能原來是在粉末孔隙中存在或者說其他的原因存在，最后卷入到這個熔池中，形成了這樣一個氣孔。
    3D打印的過程，它還有一個溫度的場，我們對溫度場進(jìn)行了模擬，整個加工的過程中，它的溫度場是什么樣的，金屬經(jīng)歷了這樣的熱循環(huán)，根據(jù)這樣的熱循環(huán)，我們來調(diào)控它的組織，調(diào)控它內(nèi)部整體的結(jié)構(gòu)，從而讓它性能來符合生物機械的應(yīng)用，我們知道生物應(yīng)用材料要求有抗壓的強度，還有抗腐蝕的能力，還有疲勞性，我們很多材料的研究的過程中，一般都是涉及到抗壓強度，它的腐蝕能力和疲勞的性能很少有考慮到。
    我們要對材料疲勞性能提高也做了一些性能的解讀。
    （圖示）這種材料用于生物醫(yī)療的手段，剛制造出來的時候，它的組織的延展性比較差，我們通過性能的調(diào)控，得到了相應(yīng)的組織，把它延伸率提高了，但是這樣還是不能滿足醫(yī)療上的疲勞性能的要求，按照這個要求我們又對這個組織中存在的某些相形成的溫度和存在的溫度進(jìn)行的調(diào)研，按照3D打印的過程，實際的應(yīng)用對它進(jìn)行模擬，有了這些猜測之后，我們對整個過程進(jìn)行了調(diào)控，最后得到了相應(yīng)的相，就會使材料的延展性提高。這件事停留在鈦合金上，是因為我們在鈦合金，在醫(yī)療領(lǐng)域上的應(yīng)用做了相應(yīng)的研究。（南極熊3D打印網(wǎng)編輯發(fā)布。）
    剛才郝永強主任已經(jīng)講了，3D打印在醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用的幾個方面，內(nèi)植物還有骨科的應(yīng)用，可能是基礎(chǔ)的3D打印，未來非常有前景的一部分。我們用激光選驅(qū)熔化在骨科方面除了對鈦合金的具體的應(yīng)用做了哪些呢？我們對它的性能進(jìn)行調(diào)控，讓它具有很好的抗壓的強度，抗拉的強度，但是它具備了這樣的性能之后，我們跟廣東軍區(qū)總院的丁主任有了一些合作，我們做了結(jié)骨導(dǎo)板，為此我們丁主任在這方面做了很多的臨床的工作，這些金屬的導(dǎo)板是我們幫著做的，它在金屬導(dǎo)板的制造設(shè)計方面，我們怎么樣做更適用于骨科的應(yīng)用，我們給了相應(yīng)的建議和制造的方案，最后把骨科的金屬的導(dǎo)板做出來。
    我們不僅做了一些骨科的截骨導(dǎo)板，還有一個定位的導(dǎo)板，除了這兩個，我們還做了截骨導(dǎo)板的工具，有一些長度可以固定，還有跟手術(shù)臺固定之后，長度可調(diào)節(jié)，然后做了一個萬能的夾具，直接實施截骨，這個效果我們還在等丁主任給我們評價。
    截骨導(dǎo)板是鈦合金做的，我們也研究了骨科的合金，它應(yīng)該是早于鈦合金的，特別是牙科，我們知道骨科合金用得還是蠻多的，3D打印的骨科合金是否滿足生物醫(yī)藥的要求，我們?yōu)榇俗隽撕芏嘈阅芊矫娴难芯�，像它的抗蝕性，熱膨脹的系數(shù)，外面有一層跟陶瓷結(jié)合之后的彎曲的強度，從材料學(xué)的強度上揭示了骨科合金它非常適合做牙的修復(fù)的牙冠、牙橋等修復(fù)體。
    接下來要講的是，我們做骨科的內(nèi)植物的設(shè)計這一塊，我們跟郝永強主任想的不一樣，我們是從工程的領(lǐng)域，我們要做仿生的領(lǐng)域，不同的結(jié)構(gòu)孔隙度不一樣，性能不一樣，最后使人體具有自身的功能，這樣的功能又是其他的自然材料不具備的，從我們的設(shè)計制造工程人員來說，我們要模仿骨科工作的功課來說的，讓它從功能上適合骨的具體的性能，滿足人體的需要。骨的設(shè)計我們是要滿足他的抗壓的強度，彈性的能量，還有一個表面要有一定的孔隙，讓生物有利于骨長度。我們的設(shè)計方面是把工程上一種先進(jìn)的設(shè)計技術(shù)結(jié)合到材料加工領(lǐng)域，用骨受力的空況來設(shè)計出一個單元的網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)，我們對它進(jìn)行振鏈（音譯）得到了這樣的網(wǎng)格，它可以是不同的尺寸，不同的知名度。
    我們得到這樣的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)之后，我們來測試它的性能，主要是它彈性的容量，從我們調(diào)研來看地話，彈性模量是骨骼比較重要的性能，但是如果我們的植入物植入到牙齒中的，它的彈性能量要高于牙床的彈性的能量，會造成一些斷裂的情況。所以我們要調(diào)控未來的骨科設(shè)計結(jié)構(gòu)的未來的彈性的能量，經(jīng)測試是跟我們所設(shè)計的一些網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的參數(shù)是相關(guān)的，他們具有一定的相關(guān)性，通過這個相關(guān)性，剛才說的是彈性的能量，（圖示）這個是抗壓的強度，這個抗壓的強度也是網(wǎng)格結(jié)構(gòu)設(shè)計的參數(shù)是相關(guān)的。
    在網(wǎng)格結(jié)構(gòu)性能的研究的過程中，我們發(fā)現(xiàn)我們設(shè)計的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，它的破壞形式以及它的性能跟傳統(tǒng)的金屬材料是根本不一樣的。在研究它的破壞形式的時候，還有其他的性能的時候，我們發(fā)現(xiàn)我們所制造出來的材料，它的性能可以按照經(jīng)典材料的模型，符合經(jīng)典材料的模型。有的時候我們設(shè)計了這種結(jié)構(gòu)它性能是可控的，我們完全可以根據(jù)我們的設(shè)計，通過我們的調(diào)整來調(diào)控我們未來的五個結(jié)構(gòu)的彈性的能量和抗壓的強度。
    （圖示）左邊這個是彈性能量的模型，右邊的是抗壓強度的數(shù)據(jù)的模型，理論上符合經(jīng)典材料的理論的。
    為此在這種條件下，我們根據(jù)我們設(shè)計的材料，制造出了一種梯度的材料，我們要是模仿骨密植，網(wǎng)格比較粗，彈性比較高。輸送的組織它的彈性模量更低，孔隙更大。這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計出來以后，我們可以把它放在一個數(shù)學(xué)模型里面，我們可以根據(jù)不同的彈性的模量，通過調(diào)整我們的設(shè)計參數(shù)來得到它的性能。我們現(xiàn)在是研究到這里，未來我們有了這個網(wǎng)格結(jié)構(gòu)之后，既然它的性能是可控的，在它可調(diào)的情況下，我們還要再加上儀表的面積。網(wǎng)格結(jié)構(gòu)新型的可植入物，但是它的尺寸是多大，底表的面積多大，未來還要經(jīng)過到我們的研究中，把它耦合到一個模型里面。這樣的我們就可以按照具體的需求，相應(yīng)的材料的彈性的模量，材料的抗壓的強度，這是衡量一個骨的基本的性能，我們可以對它一體化的設(shè)計，來滿足人體骨骼的需要。
    這是站在我們通用技術(shù)人員的角度講的，我們站在仿生方面做到最好的情況。這也是拋磚引玉，也希望跟醫(yī)學(xué)的同行們來共同探討它的可行性和未來的發(fā)展。
    （圖示）骨的植入需求是非常大的，彈性模量可調(diào)的。我們這個模型整個數(shù)學(xué)模型，材料設(shè)計的數(shù)學(xué)模型完全建立之后，我們針對不止是醫(yī)學(xué)的應(yīng)用，最大的還有工程的應(yīng)用，因為在這個共同結(jié)構(gòu)的內(nèi)部的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)來緩沖壓力，這都是我們研究的范圍，我們的研究一旦完成了，等于我們建立了一個系統(tǒng)，這是一個材料的減振的設(shè)計或者說彈性的設(shè)計，一個大的數(shù)據(jù)庫。在這個數(shù)據(jù)庫里面，有一個分支專門是為生物工程來服務(wù)的。
    我們做的醫(yī)學(xué)的東西就是這些，還有一些不拿出來講了。其實數(shù)字材料設(shè)計在國外也是特別的火，但是大多數(shù)是針對工程的領(lǐng)域，如果針對醫(yī)療的領(lǐng)域，還是不多�，F(xiàn)在數(shù)字材料設(shè)計這一塊，也是一個非常重要的研究的方向。
    未來在醫(yī)學(xué)材料加工和應(yīng)用的領(lǐng)域，我們還要繼續(xù)做下去，很多的計劃已經(jīng)在走了，鎳鈦合金和鎂合金也是我們未來的發(fā)展。
    謝謝大家！