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2016-5-22 22:14 上傳
"3D打印"近幾年這項(xiàng)新技術(shù)非;馃幔〉侥P屯婢,大到汽車(chē)、飛機(jī)零件,好像只要提供足夠的材料,幾乎所有的東西都能被“打印”出來(lái)。其實(shí),3D打印技術(shù)也是當(dāng)前醫(yī)學(xué)界密切注視的新科技,除了可用于打印治療工具外,“打印人體”也早已不再是科幻電影中的橋段。其中,打印骨骼既是目前該技術(shù)在醫(yī)學(xué)界應(yīng)用的起點(diǎn),也是發(fā)展最快的應(yīng)用。究竟3D打印技術(shù)將如何改變當(dāng)前醫(yī)療的基本規(guī)則與觀念?其中是否暗存著隱憂? 3D打印的治療費(fèi)用,病患者又是否負(fù)擔(dān)得起呢?
3D打印的基礎(chǔ)
在香港威爾斯親王醫(yī)院的骨科門(mén)診部,,每天病人熙來(lái)攘往,但他們可能從未注意到門(mén)診部旁邊的矯形外科及創(chuàng)傷學(xué)進(jìn)修培訓(xùn)中心,那里有一個(gè)小小的“3D打印工場(chǎng)”。2013年,香港中文大學(xué)矯形外科及創(chuàng)傷學(xué)系斥資85萬(wàn)元人民幣,從美國(guó)購(gòu)入了一部3D打印儀器并安置于此。此后,骨科醫(yī)生便陸陸續(xù)續(xù)開(kāi)始研究和利用3D打印來(lái)協(xié)助醫(yī)治,“印骨”的工作排期表也開(kāi)始越來(lái)越長(zhǎng)。
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2016-5-22 22:09 上傳
香港中文大學(xué)矯形外科及創(chuàng)傷學(xué)系講座教授梁國(guó)穗說(shuō),其實(shí)早在20世紀(jì)80年代,他便在香港生產(chǎn)力促進(jìn)局參觀過(guò)一些工業(yè)用的3D打印儀器。只不過(guò)在當(dāng)時(shí),這項(xiàng)技術(shù)還被稱(chēng)為“快速成型”,主要用途也只是制作手機(jī)或設(shè)計(jì)珠寶。
如今的3D打印仍是一項(xiàng)非常年輕的科技,在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域更是如此。目前,這個(gè)數(shù)碼年代的產(chǎn)物在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用主要分為兩類(lèi):“打印”人體部分和“打印”手術(shù)工具。我們不妨先來(lái)談?wù)勄罢。醫(yī)療用途有別于產(chǎn)品設(shè)計(jì),而人體結(jié)構(gòu)又相當(dāng)精密,所以必須先要有人體掃描“數(shù)據(jù)”方能實(shí)現(xiàn)“打印”——換言之,先有3D掃描才有3D打印。
因此,電腦掃描技術(shù)的發(fā)展成了目前3D打印應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域的基礎(chǔ),并拓寬了相關(guān)用途,這也很自然地讓打印骨骼成為了技術(shù)起點(diǎn)。梁國(guó)穗解釋道:“骨骼結(jié)構(gòu)很適合做電腦掃描,因?yàn)樗写罅库}質(zhì),這能讓掃描出來(lái)的影像格外清晰。”
幫助完成手術(shù)
作為3D打印在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的敲門(mén)磚,打印骨骼模型的主要應(yīng)用在為復(fù)雜的手術(shù)作盡可能詳實(shí)的計(jì)劃準(zhǔn)備。
以切除骨癌手術(shù)為例,常見(jiàn)手術(shù)部位是大腿骨末端(近膝關(guān)節(jié))。由于牽涉關(guān)節(jié),手術(shù)后需要重建,因此位置必須相當(dāng)準(zhǔn)確。而3D斷骨模型則可幫助醫(yī)生仔細(xì)分析患者情況,精確定位手術(shù)的切口位置,甚至包括骨折復(fù)位、確定切骨范圍,以及如何固定或重建斷骨等。
若病患還需使用螺絲或鋼板來(lái)固定骨骼,醫(yī)生還可利用斷骨模型預(yù)習(xí)手術(shù),測(cè)試打入螺絲的位置與角度,度身訂制鋼板,比如預(yù)先塑造貼合骨骼的弧度等。如此,手術(shù)進(jìn)行時(shí)便可精準(zhǔn)、貼合地放入預(yù)定位置。
香港中文大學(xué)矯形外科及創(chuàng)傷學(xué)系曾用3D骨骼模型為8位病人做過(guò)術(shù)前預(yù)備,其中不乏多個(gè)相當(dāng)嚴(yán)重的骨折個(gè)案,以及手肘、盆骨、腿部和足踝部位的手術(shù)。以往醫(yī)生在看過(guò)病人的電腦圖像后,通常只能憑經(jīng)驗(yàn)和想像預(yù)估手術(shù)的方法與過(guò)程,但最終是否切實(shí)可行,還是要在手術(shù)中才能知道,也就是行內(nèi)所說(shuō)的“open and see”。而3D掃描和打印技術(shù)的出現(xiàn),幫助醫(yī)生高效準(zhǔn)確地完成了術(shù)前計(jì)劃和準(zhǔn)備,大大縮短了手術(shù)時(shí)間,提高了成功率。梁國(guó)穗指出,他們?cè)谥委熌?位病人時(shí),手術(shù)時(shí)間平均縮短了1小時(shí)左右,有利于術(shù)后康復(fù)。
實(shí)現(xiàn)個(gè)人化醫(yī)療
除了打印人體模型外,3D打印在醫(yī)學(xué)上的另一個(gè)應(yīng)用便是打印手術(shù)工具。
例如醫(yī)生把鋼釘打入骨骼前,需要在骨骼外加置一個(gè)“瞄準(zhǔn)器”,以協(xié)助他們將鋼釘以特定角度打入骨內(nèi)。制作類(lèi)似“瞄準(zhǔn)器”這種專(zhuān)為某個(gè)特定病人實(shí)施手術(shù)而設(shè)計(jì)的,只用一次的“小工具”,在3D打印的輔助下,將會(huì)變得更容易。目前,印制一個(gè)“瞄準(zhǔn)器”的物料成本只需100多元人民幣。
實(shí)現(xiàn)個(gè)人化定制是當(dāng)前先進(jìn)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的主要目標(biāo)之一。以更換人工關(guān)節(jié)手術(shù)為例,現(xiàn)時(shí)的人工關(guān)節(jié)各種尺寸都是生產(chǎn)商確定的,病人像買(mǎi)鞋那樣,需要尋找最適合自己的尺碼。不過(guò),鞋子的尺碼與腳只要大致匹配即可,替換的人工關(guān)節(jié)卻是越契合越好,因此盡快實(shí)現(xiàn)“私人訂制”非常有必要。
當(dāng)然,由于受到打印的“墨水”——物料的限制,要為每位病人度身設(shè)計(jì)人工關(guān)節(jié),在現(xiàn)階段還非常困難。
“墨水”的選擇
當(dāng)前,可以直接植入人體的生物相融物料大都是金屬,例如制造人工關(guān)節(jié)的鈷鉻合金就是一種高強(qiáng)度的金屬物料。即使病人持續(xù)步行,人工關(guān)節(jié)的耐用度仍可達(dá)10~15年。
雖然目前已有一些3D打印技術(shù)的研究人員,嘗試以鐳射打印技術(shù),讓金屬可以作為“墨水”,但專(zhuān)業(yè)人士指出,現(xiàn)階段的打印制成品剛性(即硬度)不足,仍需進(jìn)一步研究才可以作為植入人體的假體。
至于打印手術(shù)輔助工具,目前主要使用的“墨水”仍是一些特殊塑料。而對(duì)它們的消毒工作,則是醫(yī)學(xué)家的最大憂慮。例如前文提及的“瞄準(zhǔn)器”,在手術(shù)時(shí)會(huì)直接接觸病人的皮肉,若它含有某些毒素,便會(huì)非常危險(xiǎn)。
為了解決消毒問(wèn)題,目前醫(yī)生主要會(huì)選用兩類(lèi)耐熱度較高的生物相融塑料作為打印物料:PC-ISO(熱變形溫度為133℃)及ABSM30i(熱變形溫度為96℃)。樹(shù)脂曾經(jīng)也是備選項(xiàng)之一,但由于其耐熱度相對(duì)較低,未必能夠承受低溫消毒程序(約70℃),因此被排除在外。
減輕醫(yī)療負(fù)擔(dān)
以長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展眼光來(lái)看,我們的確可以實(shí)現(xiàn)為每一宗手術(shù)都印制獨(dú)立輔助工具的夢(mèng)想。而以往由生產(chǎn)商大規(guī)模生產(chǎn)醫(yī)療器械的運(yùn)作模式,或?qū)⒚媾R重大轉(zhuǎn)變。梁國(guó)穗相信,以3D打印制造“個(gè)性化手術(shù)工具”絕對(duì)是未來(lái)發(fā)展的大方向,而且他預(yù)估至少可以減少80%由大型生產(chǎn)商制造的相關(guān)產(chǎn)品,由此節(jié)省成本,減少患者醫(yī)療負(fù)擔(dān)。
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相信這對(duì)于所有病患來(lái)說(shuō),都是一大福音。而行業(yè)生產(chǎn)商雖然會(huì)因日趨成熟的3D打印技術(shù)受到?jīng)_擊,但他們也可以減少研發(fā)成本。這對(duì)于所有人來(lái)說(shuō)都不是一個(gè)壞消息。
多領(lǐng)域的成功先例
有關(guān)3D打印的醫(yī)學(xué)應(yīng)用,科學(xué)界的確有過(guò)不少想象,除了打印“硬件”——骨骼以外,還有別的可能性嗎?例如人體的軟組織,如肌肉、韌帶、神經(jīng)線、血管甚至氣管,是否都可以“打印”出來(lái)?
2015年,美國(guó)北卡羅來(lái)納州Wake Forest再生醫(yī)學(xué)研究所,便成功地以活細(xì)胞作為“墨水”打印出腎臟,并移植至7名病人身上。他們打印了一個(gè)可生物降解的腎臟形狀支架,然后涂上從患者腎臟取出的活細(xì)胞,并在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)以人體溫度進(jìn)行培植,大約6~8周后便可供移植。
美國(guó)另一家研發(fā)活細(xì)胞3D打印的公司Organovo,則嘗試結(jié)合干細(xì)胞技術(shù),將多個(gè)活細(xì)胞制成直徑只有500微米的水滴,打印血管支架。而其里層與外層則打印凝膠以作支撐,6小時(shí)后待支架穩(wěn)定,便把凝膠清除。最后把管狀實(shí)體及活細(xì)胞放在特制的培養(yǎng)箱數(shù)周,3D打印血管便會(huì)成形。
香港大學(xué)醫(yī)學(xué)院與工程學(xué)院合作進(jìn)行的3D打印研發(fā)項(xiàng)目,選擇的突破點(diǎn)也著眼于活細(xì)胞打印,他們希望可以直接打印出能夠置入人體的軟組織,并應(yīng)用于骨骼、關(guān)節(jié)、韌帶和神經(jīng)等的修復(fù)治療。研究人員正在設(shè)計(jì)的一款以活細(xì)胞為“墨水”的3D打印機(jī),造價(jià)可能高達(dá)600萬(wàn)元人民幣。
2015年10月,世界首創(chuàng)的3D生物血管打印機(jī)在中國(guó)問(wèn)世。這款打印機(jī)可在短短2分鐘內(nèi)能打印出10厘米長(zhǎng)的血管,甚至包括血管中的中空結(jié)構(gòu)和多層不同種類(lèi)的細(xì)胞。
第三次工業(yè)革命?
幾年前,《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》曾以“第三次工業(yè)革命”盛贊了3D打印這項(xiàng)新興技術(shù),將3D打印提到了一個(gè)前所未有的高度,但許多專(zhuān)業(yè)人士對(duì)這個(gè)說(shuō)法嗤之以鼻。
在郭臺(tái)銘看來(lái),3D打印制造的手機(jī)根本就只能看不能用,因?yàn)樵谶@些制成品上不能加電子元器件,無(wú)法為電子產(chǎn)品量產(chǎn)。即使不說(shuō)電子產(chǎn)品,受到材料的限制,3D打印可以生產(chǎn)的其他產(chǎn)品也很少。
如今,3D打印的確更適合一些小規(guī)模制造,尤其是高端的定制化生產(chǎn),似乎醫(yī)療領(lǐng)域恰恰就是這樣的一個(gè)絕佳天地。僅在去年一年間,3D打印的肝臟模型、頭蓋骨、心臟和胸腔等便紛紛問(wèn)世。從當(dāng)前的情況來(lái)看,雖然3D打印技術(shù)還無(wú)法應(yīng)用于規(guī);a(chǎn),但只要突破了材料的限制,未來(lái)該技術(shù)的應(yīng)用范圍將會(huì)越來(lái)越廣,在醫(yī)療領(lǐng)域,它將給我們更多期待。
附:3D打印骨骼總共分幾步?
所謂“3D打印”,就是將3D圖檔分層為多個(gè)2D平面圖,3D打印機(jī)通過(guò)分層加工、疊加成形的工序,將2D平面逐層堆疊,“印”成3D實(shí)體。
3D打印骨骼一般分為以下幾步。
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2016-5-22 22:09 上傳
1.設(shè)計(jì):取得電腦掃描圖像,經(jīng)影像分析軟件(如Mimics),把影像作3D重組處理后,醫(yī)生與生物醫(yī)學(xué)工程師一同商議治療方案及所需打印部位。
2.入機(jī):影像經(jīng)過(guò)處理后,會(huì)送往3D打印機(jī)打印。工程師會(huì)預(yù)先計(jì)算好最省時(shí)省料的模型擺放位置。
3.打印:采用熔融沉積成型(FDM)技術(shù),即將塑膠材料經(jīng)高溫熔解,以液態(tài)噴出,隨即變?yōu)楣腆w。3D打印機(jī)均為雙噴嘴設(shè)計(jì),左邊噴出打印實(shí)體(如骨骼)的物料,右邊則為支撐物料,用以支撐3D實(shí)體的“凌空”部分。
4.清理:打印后要清除支撐物料,可待模型干透后直接清理,也可將制成品浸泡于特定溶液中,將支撐物料溶化,此法可確保實(shí)體表面不受損壞。
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