2015年11月11日星期三
“３Ｄ列印”開始影響普通人生活
先在電腦裡用軟體設計形狀各異的三維模型，再將模型數據輸入３Ｄ印表機，按下“確定”按鈕後，印表機就開始忙碌起來。材料噴頭先擠出一個點，接著是一條線，再是一層平面，然後再覆蓋一層……近兩個小時過去，虛擬世界中的三維模型就“搬”到了現實。
正在青島召開的“２０１４世界３Ｄ列印技術產業大會暨博覽會”上RP，來自世界各地的３Ｄ列印企業向參觀者提供著類似的３Ｄ列印體驗。據世界３Ｄ列印技術產業聯盟秘書長羅軍介紹，３Ｄ列印就是將設計好的物體轉化為三維設計圖，采用分層加工、疊加成形的方式逐層增加材料來列印真實的物體。“３Ｄ列印”在教育領域已形成了較大的市場。“從小學到大學，國內不少學校均將３Ｄ印表機作為教學實踐的工具3D列印，小學生不用像過去那樣剪紙了，可以用它將自己的想法變成實物，大學生也可以用它完成各種設計的創作。”
不僅是教學，來自國內外的企業展出的用３Ｄ打樣印表機列印出來的各種生活用品讓人們大開眼界：縮小版的世界知名建築如樣品獅身人面像逆向工程，輕便的自行車，列印完即可穿走的運動鞋，惟妙惟肖的人物造型……生活中常見的物品就這樣被列印出來。一些企業和專家認為，“３Ｄ列印”將使得人們的生活更加便捷，這不僅體現在個性化的產品，同時也體現在其他領域。據參加大會的專家和企業介紹，目前“３Ｄ列印”已被運用在文化創意、文物修復、生物醫療、工業設計等多個領域。例如在醫療領域，“３Ｄ列印”被運用於牙齒再造和骨骼修復等方面，從而使治療更加精准及時。
不過，一些專家也預計，隨著知識的普及和相關技術的完善，“３Ｄ列印”消費的成本將進一步下降。中國科學院材料技術與工程研究所高級研究員張文武說：“可以預測一下，今後１０年內可能是３Ｄ列印技術快速發展的階段，無論是制造工藝還是材料方面，都會有大規模的成本下降和技術工藝的成熟，甚至有可能１５年左右３Ｄ列印技術將出現非常大的變化。”
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3D列印用途廣 有助手術一目瞭然
3D列印技術日新月異，可廣泛運用在各領域，其中RP3D列印醫學也是適用範圍。衛福部臺打樣北骨樣品科醫師潘毅軒就透過3D列印，做出一比一大小的骨頭模型，向82歲的陳婆婆說明手術規劃，不僅能讓患者更清楚了解手術過程，還能縮短手術時間，並減少骨骼旁的軟組織破壞，增加手術成功率。最後，陳婆婆手術順利成功，復原狀況良好。
高齡82歲的陳婆婆，左手因為前2周跌倒，造成疼逆向工程痛不已，曾到某治療，被診斷為單純骨裂，僅需打石膏固定。但在某次門診追蹤時發現，不僅骨折嚴重，關節還脫位，醫師建議手術治療。但由於陳婆婆有骨質疏鬆問題，無法預期手術成功率，讓患者感到擔憂，隨後，聽從朋友建議來到臺北骨科求診。潘毅軒說，透過電腦斷層影像了解，手術的確存在高風險，為讓患者能了解手術經過，特別以3D列印方式，做出和原來骨骼尺寸大小相同的模型。
在有了模型輔助後，可以更清楚了解骨折情形，協助手術時縮小傷口和減少組織破壞。手術中使用的骨板，也可透過模型，協助術前挑選，和預先扳折至完全符合病患骨骼構造，提升精準度。潘毅軒指出，大部分病情單純和成功率高的手術，不需要用3D列印；而緊急手術因有時效性，也無法使用。像是粉碎骨折及矯正切骨等較複雜的手術，且非緊急時，3D列印可派上用場，增進手術成功率。
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2015年11月1日星期日
3D打印在醫療中的應用：大幅度降低手術風險
近年來，隨著技術的發展，3D打印逆向工程已率先在醫療領域獲得應用上的突破。這主要因為醫療行業個性定制化需求顯著，鮮有標准的量化生產，而個性化、小批量和高精度恰是3RPD打印技術的優勢所在。
黑船為醫療行業提供的解決方案旨在有效地降低手術風險——“以往醫生們做手術，或是研究治療方案，參考的都是患者的CT片。”薛慧強說嗎，“黑船的技術就是將這些CT片變成可以拿在手裡的模型，病人的病灶區域很直觀地展現在醫生面前。”
也就是說，通過這種技術可以打印出一個11的模型，將病灶、靜脈血管和動脈血管用不同的顏色標記，醫生可3D列印以根據模型制定手術方案。而手術中的醫生也可以一邊對照模型，一邊進行操作。相比2D的CT片，醫生通過3D模型能更直觀地看到腫瘤和各個組織的距離，從而下刀更精確，手術的安全性也有了更大的提高。
“以前醫生做手術，腫瘤在什麼位置，前後各有哪些血管包圍，手術中切除到什麼程度才不會傷害到重要組織和血管，這些都仰仗於醫生的經驗。”薛慧強說，“尤其是一些脊椎上的手術，稍有不慎就有可能傷到神經，所以這類手術往往都交給經驗很豐富的老醫生。但現在通過3D打印技術，不但降低了手術的風險，也可以讓更多年輕醫生參與這些手術。”
目前上海本地多家都與黑船建立了合作關系。就在不久前，雲南省第一人民就完成了打樣一次3D打樣品印模型引導的腹腔鏡多器官聯合切除手術，在國內外尚屬首例。
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3D打印仍以輔助手術為主
3D打印是第三次工業革命的重要技術樣品，實際上3D打印在其他領域的應用很多，但在醫療事業上剛剛RP起步。在臨床上，3D打印仍是一個輔助技術，在骨科、整形外科、牙科等領域，利用3D打印技術打印出“一模一樣”的3D列印器官模型，讓醫生根據模型制定手術方案等，降低手術風險。
而在醫學領域，未來最具想像空間的是生物3D打印技術，可以“打印”出功能性的人體器官。什麼是生物3D打印呢？清華大學機械系教授、邁普再生醫學科技有限創始人之一徐弢介紹，生物3D打印是利用3D增材制造原理，以加工活性材料包括生物材料、生長因子、細胞等為主要內容，以重建人體組織和器官為目標，跨學科和領域的新型再生醫學工程技術。生物3D打印代表了3D打印技術的最高水平。 生物3D打印分為四個層次。第一個層次是沒有生物相容性要求的材料，普通材料可以打印，例如醫療模型和體外醫療器械。第打樣二個層次是有生物相容性要求，要進入人體，但是不需要降解，以陶瓷和金屬為例，屬於永久植入的概念。第三個層次是比第二個再高一些，材料可以降解，更為重要的是刺激它能夠打開人自身修復的機制，就是組織工程支架的概念。第四個層次是以活性細胞、蛋白儀器其他細胞外基質，用人的細胞打印活組，更遠的是打印活組織用到人身上。
“現在第一層次的技術已經突破了，正在轉化階段。”徐弢說，第二層次是永久植入，目前國內西安交大的研究成果也正在報批，北醫三院的3D打印多孔椎體產品也進入臨床階段。
第三個層次是組織工程支架概念，隨著組織生長的要求，慢慢降解，把位置讓給新生組織，甚至打開新生組織生長機制。清華大學通過低溫沉澱成形制造的3D打印做了一些臨床動物試驗，對照起來發現有明顯的好處。目前第一到第三層次的生物3D打印技術相對成熟，有產業化的競爭。第四個層次把細胞介入基本單元，屬於前沿科學，是現代意義上的生物3D打印，這也是目前科研重點攻克的方向，“如果研發成功，就具逆向工程有非常大價值和意義，就搶占了產業的制高點。”徐弢說。
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3D打印助力航天航空業七大突破
增材制造（3D打印）從其早期的應用衍變至今打樣，已經走過了30多年的路程。工業級3D打印最普遍的流程是在粉末床上層層堆疊打印，通過電子激光束選擇性燒結粉末顆粒，RP最後成型。
3D打印對制造業中長久存在的批量與範圍困境提出了兩方面的挑戰：首先，它降低了大規模打印對像的成本。一台打印機能同步構建多個不同設計的復雜部件，這樣一來，高度集中的工廠生產線就變得無用武之地（進入當地制造業的門檻降低了）。其次，3D打印在相同投資的條件下，增加了設計的多樣性。因此，制造復雜的部件、實現生產轉型以及個性化定制的成本得以縮減。
與大規模制造行業相比，航天航空業主要集中於復雜的小批量制造，這一行業正努力利用最新最前沿的科技，同時，它也是3D打印行業的主要市場之一，將3D打印視作克服主要挑戰的方式，這些挑戰包括環境性能限制、高昂的制造成本、競爭激烈的市場環境。
3D打印使工程師們能能夠更快地設計出原型，並將概念設計轉換為實體。3D打印省去了模具制造環節，直接制作出最終成品，從而加速了整個研發生產流程。這樣一來，就能快速測試多種設計結構，並以此為基礎確定顧客偏好、降低產品退回率、縮短產品推向市場的時間。
同樣，增材制造在制作模型和小批量生產方面也頗具優勢，能在這兩方面縮減或節省昂貴又缺乏分攤的模具制造成本。
3D打印通過遠程合作能順利實現眾包。隨著時間推移，這種模式有可能影響到的研發。眾包的力量在未來的某個時刻會取代傳統的研發方式，成為企業的首要選擇。
2013年，美國3D列印國防部高級研究計劃局申請改善飛機的垂直升降系統。通過3D打印技術，波音不到30天就生產出了對應的模型。這樣的一個模型，如果用其它方式制造，動輒耗上幾個月。
傳統的設計很大程度上會受到生產技術的限制。以往，工程師們設計前，幾乎都先考慮銑削、旋轉、鑄造、鍛造和焊接過程的可能性和限制性，一些拓補學優化的設計由於結構復雜無法是生產出來的。增材制造可以制造出塑料及金屬復雜部件，比如鋼、鋁等。航天航空中已經使用3D打印的Ti-6Al-4V鈦合金和718鉻鎳鐵合金來制作部件，這兩種材料在幾何結構上的靈活變動性很強，為創新設計提供了更廣樣品闊的空間。同時，3D打印也使得設計師們可以不用理會傳統制造的限制，實現產品性能最大化。GE航空也在利用增材制造生產渦輪葉片，這些渦輪葉片形狀復雜，有利於減少氣流阻力。用傳統方式制造這些渦輪葉片，則會相當費力耗時。GE計劃，到2016年將實現這些渦輪葉片的大批量增材制造。
由於本身賦予了應對高設計難度的特性，增材制造能夠將復雜部件轉化為組件，實現了減量生產，直接減少了裝配的時間與成本。更重要的是，它簡化了最終設逆向工程計模型的改動流程。理論上說，落實一項設計時，通過焊接或其他方式進行，會損害最終產品的質量和耐用性，因此一般不傾向於組合多個部件。 GE制造出了一體化的燃油噴嘴，這些燃油噴嘴以往通常是由獨立的20余個不同部件組合而成。用在通用電氣LEAP航空發動機上的3D打印燃油噴嘴，相比傳統方法制造的燃油噴嘴來說，耐用性要強5倍。
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3D生物打印受追捧
3D打印藥片技術的工作原理是采3D列印用逐層打印方法制造出RP物品。在打印藥品時，打印機制造出的是藥物化合物，而非常見的聚合物。
毫無打樣爭議，3D打印技術用於藥物研發是當前國際上的研究熱點。苟馬玲在采訪中告訴，3D打印技術可用於藥物研發的各個環節，有望引領新藥研發取得新的突破。
“近年來，3D打印藥物受到了國際上的重視，圍繞3D打印藥物開展了一系列基礎與轉化研究，但絕大部分研究處於臨床前研究階段，缺乏個性化的3D打印系統是限制3D打印藥物發展的重要因素。”
談到國內3D生物打印的發展，苟馬玲告訴，中國是最早開展3D生物打印技術研究的國家之一，有多家單位正在開展3D生物打印的基礎與轉化研究，成立了中國生物材料學會生物醫用材料3D打印分會，一批3D打印產品正處於臨樣品床前研究階段。
“我國也很重視3D打印藥物的研究，但與美國等發達國家相比還有較大的差距，特別是在基本原理、關鍵技術和重大儀器裝備研究方面有待加強。”
從全球範圍來看，3D打印技術已在醫療逆向工程保健領域獲得廣泛證實，很多醫生都使用該技術為受傷病患定制適合他們的植入物。Aprecia表示，Spritam將在2016年第一季度上市。其實，在通過3D打印藥物之前，FDA已經批准包括義肢在內的一些醫療設備使用3D打印技術。
“我國目前自主研發了一批3D生物打印系統及3D生物打印材料，在3D打印技術用於醫療器械研發、新藥研發、活體器官構建等方面積累了較豐富的經驗，為推動3D打印技術進入臨床應用提供了很好的支撐。但是，3D打印活體器官研究還面臨多個難題，離臨床應用還有較長的距離，有待進一步深入研究。”苟馬玲介紹說，而從國際上看，“用於藥物早期評估的3D打印微型肝髒已在美國等地實現商品化。”
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3D打印的發展方向
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