細(xì)說(shuō)增材制造技術(shù)如何為日益龐大的獸醫(yī)行業(yè)帶來(lái)利好？

導(dǎo)讀：寵物被認(rèn)為是人類最好的朋友，在我們的生活中占據(jù)了很大的位置。當(dāng)前最受歡迎的動(dòng)物類型包括狗、貓、魚和鳥等。與以往相比，如今家庭中的動(dòng)物數(shù)量明顯增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在2016年全球預(yù)計(jì)有7680萬(wàn)只狗和5840萬(wàn)只貓被收養(yǎng)，但僅僅四年后，這一數(shù)字就分別上升到8370萬(wàn)和6000萬(wàn)。

增材制造已被證明可以應(yīng)用到包括獸醫(yī)學(xué)在內(nèi)的許多領(lǐng)域，這已不是什么秘密。獸醫(yī)學(xué)是經(jīng)濟(jì)中一個(gè)龐大且不斷增長(zhǎng)的部分，僅在美國(guó)，目前就有大約12萬(wàn)名獸醫(yī)從業(yè)者來(lái)為動(dòng)物解決各種醫(yī)療狀況和條件。因此，隨著寵物數(shù)量的增加，整個(gè)行業(yè)的價(jià)值也在增加，這一點(diǎn)并不奇怪。根據(jù)Grand View Research, Inc.的一份報(bào)告，到2028年，全球獸醫(yī)活動(dòng)市場(chǎng)預(yù)計(jì)將達(dá)到1144億美元。然而，現(xiàn)在不僅有獸醫(yī)利用3D打印技術(shù)來(lái)治療動(dòng)物，而且商業(yè)公司也在努力開發(fā)新的應(yīng)用，以便他們也能夠幫助動(dòng)物。然而，3D打印在這個(gè)領(lǐng)域的局限性和可能性是什么，它又是怎樣實(shí)施的？

△增材制造在獸醫(yī)學(xué)市場(chǎng)上的應(yīng)用越來(lái)越普遍。在這里，你可以看到為狗的下顎設(shè)計(jì)的假體（圖片來(lái)源：Johnny Uday博士）。

獸醫(yī)對(duì)增材制造技術(shù)的使用

當(dāng)把他們的小動(dòng)物帶到最近的獸醫(yī)診所時(shí)，沒有一個(gè)寵物主人會(huì)高興。然而，除了令人討厭的健康問題，往往還有其他問題，比如高額的治療費(fèi)用（假體或矯形器，以及其他必要的治療、漫長(zhǎng)的等待時(shí)間、或者沒有為寵物提供匹配到合適的治療產(chǎn)品。值得慶幸的是，有了3D打印技術(shù)，許多問題都可以得到解決。此外，材料開發(fā)方面的創(chuàng)新使更多的材料得以開發(fā)，滿足了該領(lǐng)域的各種需求。因此，這些材料能夠帶來(lái)許多好處，如降低成本、縮短等待時(shí)間，還能實(shí)現(xiàn)高度的定制化。然而，創(chuàng)新方法也可以塑造和簡(jiǎn)化寵物治療所需的各個(gè)步驟。通常，PEEK、PEKK等材料，以及用于外科手術(shù)的牙科塑料，如尼龍、PLA和PVA等，在增材制造中都有應(yīng)用。

增材制造技術(shù)在獸醫(yī)學(xué)中的具體應(yīng)用

要更深入地了解增材制造如何在獸醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用，首先要了解傳統(tǒng)方法。例如，獸醫(yī)用于治療的許多傳統(tǒng)方法與人類醫(yī)學(xué)中使用的方法相似，有時(shí)甚至需要聚焦到細(xì)枝末節(jié)。然而，盡管動(dòng)物與人類的治療有相似之處，但我們必須記住，有些治療方案根本不可能。通常情況下，在進(jìn)行手術(shù)或制作假體之前的第一步是掃描。一些動(dòng)物由于本能和其他問題（特別是與能夠靜止不動(dòng)有關(guān)的問題）而不適合使用標(biāo)準(zhǔn)的獸醫(yī)CT掃描儀，第一個(gè)挑戰(zhàn)已經(jīng)出現(xiàn)在這里，這時(shí)我們就可以看到轉(zhuǎn)向3D技術(shù)的好處。

傳統(tǒng)的動(dòng)物醫(yī)生會(huì)使用鎮(zhèn)靜劑，即使用鎮(zhèn)靜劑來(lái)安撫中樞神經(jīng)系統(tǒng)的功能，但這也需要支出高成本和時(shí)間。有了3D掃描，不僅可以快速進(jìn)行掃描，也不需要鎮(zhèn)靜劑，而且還可以以高度的精度進(jìn)行掃描。由于這是一個(gè)便攜式的設(shè)備，它可以毫無(wú)阻礙地掃描任何種類的動(dòng)物，而不像傳統(tǒng)的CT掃描機(jī)面對(duì)那些危險(xiǎn)的動(dòng)物（如鱷魚或生活在水中的動(dòng)物）就毫無(wú)用武之地了。

三維掃描短吻鱷（Mister Stubbs）是應(yīng)該很好的說(shuō)明案例，2013年科學(xué)家在一輛半掛車上發(fā)現(xiàn)了一只斷了尾巴的鱷魚。雖然這看起來(lái)微不足道，但鱷魚的尾巴不僅用于在水中移動(dòng)和轉(zhuǎn)向，而且脂肪也儲(chǔ)存在尾巴的根部，對(duì)動(dòng)物的健康至關(guān)重要。為了幫助鱷魚復(fù)原，位于亞利桑那州格蘭岱爾的中西部大學(xué)使用Artec三維掃描儀掃描了一條最近死亡的鱷魚的尾巴。研究人員按照Stubbs的確切尺寸進(jìn)行了些許改造，使用3D掃描捕捉到了尾巴的所有細(xì)節(jié)，最終為它創(chuàng)造一個(gè)新的尾巴。

△使用傳統(tǒng)方法，可能無(wú)法獲得如此精確的尾巴圖像（圖片來(lái)源：STAX3D via Artec）。

增材制造的個(gè)性化定制

當(dāng)涉及到動(dòng)物治療時(shí)，獸醫(yī)和動(dòng)物醫(yī)院可以通過使用增材制造實(shí)現(xiàn)廣泛的積極效益。僅舉幾例，它可用于生產(chǎn)假肢、矯形器、植入物、牙齒部件或甚至適合手術(shù)前的定制模型�？紤]到由于不同動(dòng)物物種的不同生物條件和需求，需要考慮的因素?cái)?shù)量增加到無(wú)法估量，其好處是顯而易見的。例如，像狗這樣的動(dòng)物，其解剖結(jié)構(gòu)在不同的品種之間有很大的不同：例如，你把一只成年的紐芬蘭犬和一只臘腸犬進(jìn)行比較就會(huì)發(fā)現(xiàn)很大的差異。很明顯，治療的個(gè)性化是非常必要的。

3D打印的矯形器和假肢可以維持五年之久，這也進(jìn)一步促進(jìn)了該技術(shù)在獸醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用。打印的夾板附著在動(dòng)物身體上，作為一種矯形輔助工具，使關(guān)節(jié)、骨骼甚至肌肉都能得到緩解、穩(wěn)定或糾正。其中一個(gè)案例就是動(dòng)物醫(yī)生為一只三個(gè)月大的貓制作的3D打印假肢，這個(gè)小貓出生時(shí)胸壁有罕見的先天性畸形。獸醫(yī)博士MatteoZanfabro求助于3D打印技術(shù)，來(lái)幫助解決這只貓的有可能致命的畸形。治療的夾板由PETG制成，用Ultimaker S3進(jìn)行3D打印，不僅可以根據(jù)小貓的大小和畸形情況進(jìn)行單獨(dú)調(diào)整，而且在此過程中還可以考慮到動(dòng)物的成長(zhǎng)。為了提供必要的穩(wěn)定性，夾板用手術(shù)線封閉，并裝有填充物。3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在這里得到了體現(xiàn)：在使用增材制造的夾板后，這只小貓沒有再出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)障礙。

△3D打印夾板、假肢和矯形器不僅可以簡(jiǎn)化動(dòng)物的生活，還可以拯救它們（圖片來(lái)源：Matteo Zanfabro via PlayVet)

但這還不是全部。在他們的工作過程中，來(lái)自科希策斯洛伐克科技大學(xué)的一個(gè)研究小組一直在解決增材制造在獸醫(yī)正畸領(lǐng)域的好處問題。以一只15個(gè)月大的拉布拉多犬為例，它在玩耍時(shí)掉了一顆對(duì)進(jìn)食很重要的牙齒，他們展示了使用增材制造的可能性。由于這顆牙齒不會(huì)再長(zhǎng)出來(lái)，但對(duì)防止?fàn)I養(yǎng)不良也至關(guān)重要，因此需要一個(gè)個(gè)性化的解決方案。他們對(duì)這只年輕狗的下巴上仍然存在的同樣的牙齒進(jìn)行了掃描，以便利用金屬3D打印技術(shù)將這一掃描結(jié)果制造成一個(gè)植入物。在這種情況下選擇增材制造的原因之一是，一方面可以進(jìn)行精確的掃描，另一方面，打印必須非常精確，因?yàn)樾轮谱鞯难例X必須完美地融入現(xiàn)有的牙齒間隙中。經(jīng)過再生階段，這只拉布拉多犬的增材制造牙齒甚至比它的天然牙齒更硬、更耐用。

考慮到動(dòng)物的牙齒問題，5年前開始采用增材制造技術(shù)的獸醫(yī)Johnny Uday博士對(duì)其他潛在的挑戰(zhàn)提出了見解："牙齒問題非常普遍，破壞了許多寵物的下顎，導(dǎo)致骨裂（大洞）的斷裂。然而，由于狗的體型各不相同，標(biāo)準(zhǔn)化的鋼板可能太大或者太笨重，造成的損害比幫助更大。因此，這項(xiàng)技術(shù)的一個(gè)很好的應(yīng)用是開發(fā)個(gè)性化定制的鋼板，這樣你就可以有一個(gè)完美的配合和尺寸，甚至可以規(guī)劃鉆孔，以避免損壞牙根、血管束、神經(jīng)、淋巴系統(tǒng)和其他對(duì)正常功能和正常愈合至關(guān)重要的結(jié)構(gòu)。"

△由于有了3D打印的牙齒，這只狗又可以吃東西了（圖片來(lái)源：TU Košice)

此外，獸醫(yī)學(xué)中的快速成型制造非常適合于創(chuàng)建手術(shù)和解剖模型。在這里，手術(shù)模型特別有助于獸醫(yī)實(shí)現(xiàn)更好的手術(shù)效果，同時(shí)可以大大減少手術(shù)時(shí)間。具體來(lái)說(shuō)，這些是3D打印的模板，包含各自動(dòng)物患者的精確切割平面和孔，允許外科醫(yī)生提前在這些模板上進(jìn)行練習(xí)。這不僅適用于難度大和罕見的手術(shù)，也適用于骨科損傷，如十字韌帶撕裂，甚至先天性肢體問題。解剖模型可以區(qū)分為針灸、器官、骨骼甚至運(yùn)動(dòng)模型，也給獸醫(yī)提供了很大的幫助。然而，這些三維模型不僅是獸醫(yī)的優(yōu)勢(shì)，也是學(xué)生和未來(lái)獸醫(yī)的優(yōu)勢(shì)，并相應(yīng)地起到學(xué)習(xí)和研究的作用。

當(dāng)增材制造被應(yīng)用于獸醫(yī)學(xué)時(shí)，它對(duì)狗、貓、雞或牛都起到了很大的作用。然而，對(duì)于小型動(dòng)物，如吉娃娃、青蛙或倉(cāng)鼠，這就比較復(fù)雜了。Johnny Uday博士解釋說(shuō)，其原因是它們的解剖結(jié)構(gòu)很小，這使得創(chuàng)建切口指南以及植入物比大型動(dòng)物更具挑戰(zhàn)性。然而，當(dāng)涉及到在工作流程中應(yīng)用3D打印技術(shù)時(shí)，最大的挑戰(zhàn)可能是如何能夠?qū)W好這項(xiàng)技術(shù)。Johnny Uday博士指出，對(duì)各種軟件以及3D打印用生物材料的學(xué)習(xí)至關(guān)重要。

商業(yè)公司對(duì)獸醫(yī)用增材制造技術(shù)的開發(fā)

雖然已經(jīng)有許多獸醫(yī)在利用增材制造，但企業(yè)也發(fā)現(xiàn)了這個(gè)領(lǐng)域的巨大潛力。因此，在獸醫(yī)領(lǐng)域使用增材制造技術(shù)的公司名單正在增加。僅舉幾例：Think3DDD、PlayVet、CABIOMEDE、DiveDesign或甚至Formlabs和Artec3D。在這種情況下，獸醫(yī)和商業(yè)公司之間存在的主要區(qū)別主要是教育背景，在商業(yè)公司工作的個(gè)人主要持有工程學(xué)位，而獸醫(yī)當(dāng)然持有獸醫(yī)學(xué)學(xué)位。此外，二者的背景也不同：公司制造和銷售這些產(chǎn)品，并因此為自己開發(fā)了一個(gè)市場(chǎng)，提供他們的服務(wù)和產(chǎn)品性能。相比之下，獸醫(yī)借助增材制造來(lái)更有效地工作，改善他們的工作流程，以及將增材制造作為整體的一部分。然而，盡管教育背景不同，但目標(biāo)是相同的，那就是利用增材制造拯救動(dòng)物生命或簡(jiǎn)化救治流程。

位于柏林的Think3DDD由TinoJacobi創(chuàng)立，他解釋說(shuō)：“由于3D打印醫(yī)療器械的高度定制化，所以學(xué)科交叉是必要的，這就是為什么我們與治療的獸醫(yī)合作非常密切。因此，我們根據(jù)獸醫(yī)提供的信息制造一個(gè)合適的矯形器或假體，而獸醫(yī)則陪同治療。"

NordicVet3D公司的所有者AlexanderThen則表示，市面上仍有大量的獸醫(yī)不采納增材制造技術(shù)。他解釋說(shuō)："除了經(jīng)濟(jì)原因外，我看不出有什么理由不使用它們。3D打印的優(yōu)勢(shì)比比皆是，例如，我們可以檢查我們想要使用的螺釘和鋼板是否是最適合每個(gè)人的情況。這最大限度地減少了失敗或需要重新手術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)，而重新手術(shù)與死亡率和發(fā)病率的增加有關(guān)。它還被證明可以減少手術(shù)時(shí)間，從而減少手術(shù)的實(shí)際成本。"

就過程、技術(shù)和過程中使用的材料而言，第一步是3D掃描，由于有掃描應(yīng)用程序，甚至可以用智能手機(jī)完成。一旦進(jìn)行了掃描，無(wú)論是在公司所在地還是在獸醫(yī)那里，軟件被用來(lái)開發(fā)數(shù)字圖像，例如，假體或矯形器。經(jīng)過3D打印和后期處理后，可以直接佩戴。當(dāng)使用FDM/FFF技術(shù)時(shí)，可以使用多種不同厚度的熱塑性聚氨酯塑料（TPU）、聚丙烯（PP）、聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯（PET）和其他材料。

△在Think3DDD，通過智能手機(jī)進(jìn)行掃描，然后生成文件，最后進(jìn)行3D打�。▓D片來(lái)源：Think3DDD）

增材制造在獸醫(yī)學(xué)中的局限性

雖然增材制造在獸醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用所帶來(lái)的好處遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了問題和挑戰(zhàn)，但這一領(lǐng)域的應(yīng)用仍然存在著局限性。盡管用于動(dòng)物的可植入材料的范圍已經(jīng)非常廣泛，但相比之下，生物相容性材料的選擇仍然非常有限。此外，在增材制造的植入物中形成的生物膜是主要問題之一。這種生物膜是一種細(xì)菌的聯(lián)合體，特別具有抵抗力，而且難以清除。由于這樣的生物膜現(xiàn)在也可以在3D打印的植入物上形成，Uday博士認(rèn)為這里的挑戰(zhàn)特別大。

談到增材制造在獸醫(yī)領(lǐng)域的其他挑戰(zhàn)，PlayVet公司的Matteo Zanfabro指出，獸醫(yī)工作中使用如此多的不同材料，本身就是一個(gè)挑戰(zhàn)。重要的是要清楚，根據(jù)不同的應(yīng)用，材料必須包含從非常堅(jiān)硬的塑料到可降解材料的各種特性。特別是由于總是需要在質(zhì)量和生產(chǎn)時(shí)間之間找到最佳的折衷辦法。Matteo Zanfabro還提到，制造商的3D打印規(guī)格與實(shí)際結(jié)果不符是一個(gè)問題，這就是為什么他們需要嘗試、測(cè)試和驗(yàn)證每種材料和每個(gè)制造商，以確保材料適合產(chǎn)品和加工。這個(gè)過程不僅耗時(shí)，而且成本很高，這種類型的質(zhì)量測(cè)試需要幾周時(shí)間。

需要承認(rèn)的是，由于增材制造技術(shù)的出現(xiàn)，許多動(dòng)物的生命已經(jīng)得到了拯救，而且這個(gè)名單還在不斷地增加！這就是增材制造的作用。雖然對(duì)于商業(yè)公司和獸醫(yī)來(lái)說(shuō)，有更容易和更難解決的案例，但當(dāng)下的一切挑戰(zhàn)也為增材制造在獸醫(yī)學(xué)內(nèi)的應(yīng)用提供了新的機(jī)會(huì)。