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1、白皮书3D 打印材料赋予医疗设计师全新的工作方式白皮书23D 打印机在医疗行业中的用途非常广泛,应用领域涉及设备设计概念、功能原型、模具到复杂手术的培训和模拟。这些项目使用的材料包括可复制组织以达到设计目的的独特多材料系统,以及生产级高性能热塑性塑料,赋予了设计师创造创新产品的自由。3D 打印材料赋予医疗设计师全新的工作方式白皮书33D 打印机采用数字设计并制作三维物体。3D 打印工艺(也称为增材制造)通过逐层沉积少量材料来打印零件。与此相反,传统的制造方法是通过切削、研磨、铣削以及其他方法来去除材料。如今,3D 打印机可采用多种不同的打印技术。本电子书将对熔融沉积建模(FDM)和打印材料进行
2、讨论。FDM 由 Stratasys 在 20 世纪 90 年代初期推出,通过计算机控制的挤压头熔化并挤出细带状的塑料,从而打印出即时可用的 3D 零件。3D 打印已经沿用了超过 30 年,但最近引起了很多媒体的关注。Wohlers Associates Inc.是一家跟踪快速产品开发以及增材制造发展和趋势的咨询公司,它预计到 2018 年增材制造和 3D 打印行业的全球收入将达到 128 亿美元。根据该公司在该主题上的年度出版物2015 年沃勒斯报告,3D 打印行业收入在 2014 年估计将增长至 41 亿美元。Wohlers Associates 预测,到 2020 年,该行业所有产品和服
3、务的收入将超过 210 亿美元。该公司将这种增长归因于成品零件的增加、现在可用机器和材料的更多选择、媒体的关注、多个集团的投资以及低成本的桌面 3D 打印机。FDM 的工作原理3D 打印流程从 3D 计算机辅助设计(CAD)模型开始。创建 3D 打印模型后,将其作为.STL 文件导出。.STL 文件随后被导入Stratasys 用于 FDM 的两个软件程序中的一个,Insight 或 Catalyst,具体取决于目标打印机。预处理软件计算切片并将零件设计切成多个分层,分层高度从 0.005 英寸(0.127 毫米)到 0.013 英寸(0.3302 毫米)不等。然后,该软件使用切片数据生成工具
4、路径,或打印指令,以驱动挤压头工作。该软件的工作原理类似于纸质打印机的驱动程序,将数据作为作业发送到 3D 打印机,然后将要放置打印材料的位置告知打印头。FDM 的工作原理的第二步是生产或分层流程。首先,3D 打印机会沉积出几层一次性支撑材料,形成一个底座。支撑材料还可为悬垂等部分提供支撑,作为其托架。Stratasys 的 Fortus 450mc 打印机可打印尺寸高达 406 x 355 x 406 毫米(16 x 14 x 16 英寸)的零件。3D 打印材料赋予医疗设计师全新的工作方式白皮书4两种材料(一种用于制作零件,一种用于支撑零件)被加热至半液体状态,再通过挤压头进行挤压,然后精确
5、地沉积在极细的层中,大小大致与人的头发相同。系统在零件材料和支撑材料之间不断变换,沉积出厚度为 0.005 英寸(0.13 毫米)的薄层。打印头沿 X-Y 坐标移动,当从下往上打印模型及其支撑材料时,建模基座沿 Z 轴向下移动。熔化塑料的每一层都是一层一层沉积的,并通过挤压头稍微压平。最后,所有层都会立即相互融合。FDM 的准确性和高精度要归功于进料率和挤压头运动的完美配合。两者都在不断变化,以形成宽度为 0.008 英寸到 0.038 英寸(0.20 毫米到 0.97 毫米)的扁带状材料。在性能最高的 FDM 打印机上,零件的准确性或允差最高可达 0.003 英寸(0.08 毫米),足以媲美
6、注塑成型工艺。打印模型时,可溶性支撑材料会支撑悬垂部分,以便 3D 打印复杂的模型,甚至是嵌套结构和带有运动零件的多零件配件。打印作业完成后,支撑材料会被洗掉,然后可以随时使用模型,或者如果需要,可以将成品上漆或通过其他工艺进一步加工。n n n n n nn nn机动车 16.1%航空航天 14.8%工业/商业机器 17.5%消费品/电子产品 16.6%医疗/牙科 13.1%学术机构 8.2%政府/军事 6.6%建筑 3.2%其他 3.9%3D 打印市场细分资料来源:2015 年沃勒斯报告16.1%14.8%17.5%16.6%13.1%8.2%6.6%3.2%3.9%3D 打印材料赋予医疗
7、设计师全新的工作方式白皮书5医疗保健与 3D 打印行业 根据2015 年沃勒斯报告,医疗/牙科行业是 2014 年 3D 打印的最大细分市场,市场份额为 13.1%,其他依次为工业(17.5%)、电子产品(16.6%)和机动车(16.1%)。总部位于弗吉尼亚州夏洛茨维尔的 SmarTech Markets Publishing 发布了一份题为2015 年医疗市场的 3D 打印:机会分析和十年预测的研究报告,着眼分析了未来十年与医疗行业相关的 3D 打印的发展方向。根据 SmarTech 的数据,2014 年有超过 1,100 台 3D 打印机出售用于医疗用途。该公司预测,到 2020 年,这一
8、数字将会翻倍,每年大约有 2,200 台打印机用于医疗行业。同时,预计在市场的材料领域将会实现更大的增长。2014 年,用于医疗行业的 3D 打印材料收入约为 5,000 万美元。根据 SmarTech 的数据,到 2020 年,这一数字将会增长近七倍,飙升至 3.45 亿美元。这意味着材料的市场将大于打印这些材料的实际硬件的市场。推动材料市场大幅增长的主要驱动力是对定制医疗植入物和模型的需求迅速增长。总部位于英国伦敦的商业信息提供商 Visiongain 公司发布的另一份报告预测,2018 年医疗行业的全球 3D 打印市场价值将超过 40 亿美元。(该报告在市场定义中包括牙科产品、医疗植入物
9、、生物打印组织以及其他医疗用途。)根据 Visiongain 在 2014 年 1 月发布的医疗保健行业的 3D 打印:2014 至 2024 年的研发、行业和市场报告,2013 年医疗市场产生了 12 亿美元的收入。Stratasys 的 Fortus 250mc 打印机使用可溶性支撑结构,可轻松进行免提拆卸,即使对于具有复杂几何形状和扭曲腔体的零件也是如此。3D 打印材料赋予医疗设计师全新的工作方式白皮书6Visiongain 预测,从 2014 年起医疗保健行业的 3D 打印整体市场将会迅速增长,并指出:“多维打印比传统制造方法更具优势,因为它有助于生产具有高度针对性的复杂几何形状和表面
10、。同时,它还非常适合生产小批量的高价值产品。因此,这些打印机提供了适合医疗保健行业生产产品的合成方法,其中对基于患者特定的高质量产品的需求正在不断增加,尤其是在骨科领域。”医疗行业使用 3D 打印的好处 3D 打印零件在医疗行业中有多种用途。设计师们正在使用 3D 打印技术来构建概念模型、功能原型、工厂工具(如模具和机器人手臂末端),甚至是成品。同时,医生、外科医生和医院也在使用 3D 打印进行新的医疗设备设计、培训和模拟,以及测试和研究。3D 打印零件的示例包括与皮肤接触的工具、实验室仪器和外骨骼治具。概念模型。在设计过程的早期,可以使用 FDM 技术打印模型,以检验形状、适合度和人体工程学
11、。根据发现的任何缺陷,可以轻松地更改设计并再次打印。该迭代过程可持续进行,直至找到最佳概念。从 2D 打印到实体零件的转变将加快产品开发流程,同时降低成本。设计团队可以与提供反馈的其他人更早地审查概念。与工程、营销和质保部门快速进行协作,可以让设计师在整个设计过程和后续测试中进行相应调整。原型。过去,出于成本和时间方面的考虑,很少在医疗设备设计工作中使用原型,但 3D 打印可以提供一种更快且更简化的系统,让医疗产品制造商自行开发可随时试用的临床设备,以检查形状、适合度、功能和可制造性。例如,在传统的制造过程中,如果工程师拥有 10 种不同的产品设计,但由于有与交付时间、工具加工和测试相关的成本
12、,他们通常需要将选项缩小到两个或三个设计原型。借助 3D 打印,该公司可以快速且高效地打印所有 10 个产品设计,以进行性能测试和严格的工程评估。制作功能性原型组件通常需要几小时到几天的时间。制造工具。使用 3D 打印机可以轻松制作夹具、治具、仪表、模型、模子和模具,无需花费时间和金钱进行加工、制造、塑造或铸造。FDM 生产级打印机不仅能够节省制造工具的时间和成本,而且还能够改善装配过程。基于层的生产可以获得轻巧、复杂且符合人体工程学的形状,从而提高制造效率。成品。对于 5,000 件或更少的零件,您可以考虑使用打印机打印零件来替代传统的铸模、机械加工或工具加工流程。消除传统的制造工艺可以节省
13、时间和成本,同时也可以在必要时自由地修改设计。手术模拟和解剖模型。创建逼真的模型作为手术导板以规划复杂的医疗手术是 3D 打印最有趣的应用之一,并且由于 3D 打印机能够创建更逼真的组织模拟,其利用率也在不断提高。外科医生可以创建需要手术的身体3D 打印材料赋予医疗设计师全新的工作方式白皮书7部位模型,使其手术技能得以练习,例如仪器插入、打结、解剖,以及修复创伤或先天性缺陷。对于需要复杂,多方面和多学科的外科手术病例,预先确定最佳治疗方案的能力至关重要,尤其是在不同专业(血管、骨科、神经外科,可能全部用在同一位患者身上)的团队之间。解剖模型能让外科手术团队评估几种不同的治疗方案,然后再选定一个
14、手术规划,确保这些需求得到满足。反过来,这些模型可以为医生的教育和培训创造参考资料:以数字形式保存,可以重新打印以用来替换尸体标本、动物测试或典型解剖模型。用于 FDM 3D 打印的医用材料很早以前,FDM 技术已被广泛用于工业热塑性塑料和丙烯腈丁二烯苯乙烯聚合物(ABS)。但是,用于 FDM 技术的医用材料FDM 生产级打印机不仅能够节省制造工具的时间和成本,而且还能够改善装配过程。也在不断发展。如今,已经出现多种不同的 ABS,并且每种 ABS 的机械性能都比原始 ABS 的配方更好。如果要为 FDM 项目选择合适的医用材料,必须了解 FDM 技术的功能和局限性。利用 FDM 制成的治具、
15、模具和原型可以经受严格的测试,以及在生产车间持续使用。FDM 使用的材料能够很容易满足各种特殊特性,例如韧性、静电耗散和生物兼容性。Stratasys 可以为 FDM 机器提供两种具有生物兼容性(ISO 10993 USP Class VI)的材料:ABS-M30i 和 PC-ISO。这两种材料可以使用伽玛辐射或氧化乙烯消毒方法进行消毒。这两种材料最适合用于制作需要良好的强度且需要进行消毒的零件。但是,Stratasys 或原材料制造商都无法在符合 FDA 标准的情况下批准用于特定应用的树脂/塑料。最终设备制造商有责任通过对最终产品中使用的所有零部件和材料进行适当的测试和分析,确定最终用途的适
16、用性。对于坚固的模具、定制治具和生产零件,FDM 技术可与生产级材料搭配使用,包括高性能热塑性塑料。对于成品生产,材料稳定性和长期性能至关重要。因此,需要考虑机械、耐热、电气和化学特性,以及由于老化或环境暴露因素而引起的任何变化。Stratasys FDM 机器使用 16 种不同的材料,包括 3 种工程热塑性塑料。每种材料的说明分别如下所述。3D 打印材料赋予医疗设计师全新的工作方式白皮书8ABS-M30 和 ABSplusABS-M30 塑料配方是 FDM 工艺中常用的塑料配方,专用于 Fortus 系列生产级 3D 打印机。此材料配方也称为 ABSplus,适用于 uPrint 系列 3D
17、 打印机。这些材料处于原丝状时,便是具有相同机械性能的等同材料。但是,ABSplus 和 ABS-M30 之间存在成品零件材料特性差异。与模制零件一样,加工过程也有所不同。Fortus 3D 打印机拥有高级硬件和软件控制,可按不同的方式处理材料,专为制造应用而开发。由此,改善了可从 ABS-M30 实现的材料特性。虽然 ABSplus 可生产坚韧的零件,但 ABS-M30 零件通常在所有类别中都具有更高的强度。这两种材料都能生产出稳定、坚固且耐用的零件。它们都具有一系列颜色,包括白色、黑色、红色、蓝色、绿色、荧光黄色等。使这两种材料成为 FDM 的生产主力的另一种常见品质是,它们的表面处理非常
18、简单。与大多数增材制造工艺一样,FDM 机器使用牺牲性支撑结构来构建零件,但 ABS 材料具有其他材料通常不具备的特性:非接触式支撑去除。由于采用可溶性支撑材料,无需进行手工劳动。将零件放置在槽中,支撑材料即可被溶解掉。ABSplus 和 ABS-M30 零件的表面光洁度远远超出了概念建模、功能原型制作和创建制造工具的需求。如果应用针对的是母版、营销模型或成品,并且用户需要类似于注塑成型所具有的表面光洁度,则可使用 FDM 的可触精细抛光工作台(Finishing Touch Smoothing Station)提供的可选免手动式平滑流程,在一分钟内将零件处理平滑。良好的材料特性和简单的后处理
19、使得 ABSplus 和 ABS-M30 成为最常用的 FDM 材料。ABS-M30i医疗、制药和食品处理设备有相应的严格法规,防止消费者受到疾病侵害。法规包括诸如 ISO 10993 和 USP Class VI 之类的标准,这些法规将材料分类为具有生物相容性。ABS-M30i 符合这些标准,因此可用于与皮肤、食物和药物接触的产品。使用 ABS-M30i 对该医疗雾化器进行 3D 打印。3D 打印材料赋予医疗设计师全新的工作方式白皮书9ABS-M30i 既具有足够强度,又拥有灭菌功能。可以使用伽玛辐射或氧化乙烯消毒方法对 ABS-M30i 进行消毒。使用 ABS-M30i 制作的零件具有良好
20、的生物兼容性和出色的机械特性,非常适合概念建模、功能原型制作、制造工具和最终用户零件。ABS-ESD7ABS-ESD7 是 Stratasys 的一种静电耗散材料,可用于 FDM。这款材料可防止静电积聚,因此适合于静电荷可能损坏产品、损害性能或导致爆炸的应用。由于这些原因,ABS-ESD7 非常适用于电子元件的托架和收纳器、电子装配元件的固定装置以及生产线和输送机零件。其他应用包括电子产品外壳、电子包装材料和粉末或雾状物输送或分配过程的产品设计和验证。ABS-ESD7 还可消除另一个常见的静电问题,即颗粒(如灰尘或粉末)的吸引和积聚,而这种问题可能会降低产品性能。ABS-ESD7 还可避免吸附
21、雾化液体,因此有助于制作药物吸入器,确保患者输送完整的药物剂量,不会使雾状物附着在吸入器的内表面上。ABS-ESD7 的所有机械性能均在 ABS-M30 额定值的 5%以内。ABSiABSi 是适合概念建模、功能原型制作和直接数字制造的理想材料。ABSi 的优势在于其半透明性。它的强度优于标准 ABS,并且 ABSi 的半透明特性有利于监控材料流动和光透射,最常用于医疗和汽车应用领域。使用 ABSi 制造的零件外观独特、尺寸精确且经久耐用,并且还能够随时间保持其形状。使用 ABSi 制造的零件外观独特、尺寸精确且经久耐用,并且还能够随时间保持其形状。ASA丙烯腈(ASA)是一种良好的通用热塑性
22、塑料。与 ABS 相比,它具有改进的机械特性,并且还具有一个重要的区别:UV 稳定性。ASA 可打印抗紫外线的零件,这些零件不会因为长期暴露于阳光而降解,而且它还提供了所有 FDM 热塑性塑料所具有的一些最佳美观度特性。ASA 具有优异的机械特性和美观度,同时也非常适合通用原型制作。它还提供 10 种颜色供用户选择,超过任何其他 FDM 材料,并且还具有出色的色牢度。PCPC 是使用最广泛的工程级热塑性塑料,具有极高的拉伸和弯曲强度,以及良好的耐热性。它具有所有 FDM 材料中第二高的拉伸强度,以及高达 280F(138C)的高热变形温度。这是一种适用于包括功能性测试、加工或生产在内的严苛应用
23、的材料。3D 打印材料赋予医疗设计师全新的工作方式白皮书10PC-ABS聚碳酸酯和 ABS 的混合物可以为 PC 和 ABS 材料提供最理想的特性。具有 PC 的优异机械性能和耐热性,其中包括所有 FDM 材料中最高的冲击强度等级之一。同时,它还具有 ABS 的优异抗弯强度、特征细节以及优美外观。使用工程热塑性塑料进行 3D 打印可提供更坚固的零件,更可靠的测试,以及可模拟最终产品材料特性的原型。PC-ISO与 ABS-M30i 相似,PC-ISO 是一种生物相容性(ISO 10993 和 USP Class VI)材料,适合作为医疗、制药和食品包装行业的另一种 FDM 替代品。PC-ISO
24、可以使用伽玛辐射或氧化乙烯方法进行消毒,使用 MRI 机器是观察不到的。PC-ISO 具有极高的拉伸和弯曲强度,以及更高的热变形温度。在这些类别中,其值比 ABS-M30i 的相应值高出 33%至 59%。由于 PC-ISO 具有出色的强度和医学兼容性,因此通常用于食品和药物包装,以及医疗设备制造。PLAPLA 是一种可生物降解的可再生塑料材料,是用于半透明或不透明“快速草稿”零件迭代的低成本选项。PLA 提供良好的拉伸强度,具有比 ABS 更高的刚度和与聚碳酸酯相当的强度。其熔点和 HDT 很低,因此在建模时所需的热和功率更低。PLA 特别适用于快速概念验证和设计验证。理想的应用包括早期概念
25、建模、快速原型制作和金属零件铸造。ULTEM 9085 树脂ULTEM 9085 树脂是可用于 FDM 的三种高性能工程热塑材料之一,因为它能够满足苛刻的安全要求,因此被广泛用于生产多种飞机和航空航天产品。ULTEM 9085 树脂是一种 FST 认证材料,这意味着它能满足火焰、烟雾和毒性方面的标准。即使应用不要求 FST 评级,但由于 ULTEM 9085 树脂具有卓越的强度、耐用性以及耐热性和耐化学性,因此使得它成为了整个功能原型或最终用途的理想选择。3D 打印材料赋予医疗设计师全新的工作方式白皮书11ULTEM 1010 树脂ULTEM 1010 树脂可提供所有 FDM 热塑性塑料中最高
26、的耐热性、耐化学性和抗拉强度。FDM 材料是唯一经过 NSF 51 食品接触认证的材料,并且与 ISO 10993/USP Class VI 认证具有生物兼容性。ULTEM 1010 已被用于 3D 打印医疗工具,例如可以耐受高压蒸汽消毒的外科手术导板。ULTEM 1010 树脂具有所有 FDM 材料中最低的热膨胀系数,是适用于许多工业加工应用和其他需要独特强度和热稳定性组合的零件的理想选择。PPSF/PPSU 聚苯砜可用于 FDM 的第一款高性能工程热塑性塑料是 PPSF(也称为 PPSU)。PPSF 具有良好的耐热性(热变形温度为 372F/189C)和耐化学性。它在机械方面的性能优于高性
27、能材料之外的其他 FDM 材料。PPSF 可耐油脂、汽油、化学品和酸。与 ABSi 和 ABS-M30i 相同,PPSF 可进行消毒,但是由于其温度特性和耐化学性,可以通过其他方法进行消毒,包括高压蒸汽消毒、等离子、化学和辐射消毒。FDM Nylon 12FDM Nylon 12 是 Stratasys 的尼龙产品系列中的第一种材料。Nylon 12 能够支持需使用重复卡扣匹配测试、高抗疲劳性、强耐化学性和按压(摩擦)匹配嵌件的新应用。Nylon 12 主要用于航空航天、汽车和消费品行业,提供无与伦比的韧性以及简单清洁的无尘工艺。相比于任何其他增材制造技术,Nylon 12 零件具有高出 10
28、0%至 300%的断裂伸长率和优异的抗疲劳性。适用于医疗应用的材料材料关键特征ABS-M30、ABSplus通用,耐用ABS-ESD7抗静电耗散ABS-M30i生物相容ABSi半透明ASA抗紫外线PC强韧(拉伸)PC-ABS强韧(冲击)PC-ISO生物相容PLA快速草稿打印,高分辨率零件ULTEM 9085 树脂机械性能出众ULTEM 1010 树脂生物相容性,最高耐温性PPSF高抗性(热/化学品)FDM Nylon 12强(高抗疲劳性)FDM Nylon 12CF极高抗弯强度,最高刚度-重量比FDM Nylon 6强(冲击),韧性(高抗疲劳性)3D 打印材料赋予医疗设计师全新的工作方式白皮书
29、12FDM Nylon 12CFFDM Nylon 12CF 是一种碳填充的热塑性塑料,具有出色的结构特性。该材料由 Nylon 12 树脂和短切碳纤维的混合物构成,载荷比为 35%。这种组合造就了 FDM 材料组合中最坚固的热塑性塑料之一。它拥有所有 FDM 热塑性塑料中最高的抗弯强度,因此具有最高的刚度重量比。适用范围包括航空航天、汽车、工业和休闲娱乐制造 SR-110 支撑材料中坚固而轻量的模具应用和功能性原型。FDM Nylon 6FDM Nylon 6 同时具有优于其他热塑性塑料的强度和韧性,用于需要使用坚固定制零件的应用和持续时间更长的加工,可经受严格的功能测试。利用 Nylon
30、6 这种常用于制造工艺的热塑性塑料进行制作,与 Fortus 900mc 配合使用,可生产具有光洁表面和高抗断裂性的耐用零件。FDM Nylon 6 是汽车、航空航天、消费品和工业制造行业中的产品制造商和开发工程师的理想选择。探讨医疗设计的新方法3D 打印是现有制造技术的理想替代方案,但它又不仅仅只是一种对待旧事物的新方法。它可以是用于设计新产品,甚至是新产品类别的新方法,这是传统技术所无法想像或无法制造的。3D 打印能让医疗设计师整合零件,减少组装件数量,设计负拔模或打印可变壁厚。同时,医疗设计师还可以在需要强度的位置添加使用材料,在不重要的位置减少使用材料。3D 打印选项包括复杂的几何形状
31、、有机形状和中空内部等。例如,位于明尼苏达州伊甸草原的 Acist Medical Systems 可以设计和制造供心脏病科医生和放射科医生使用的注射造影剂设备。该公司在功能测试、治具和生产零件中广泛采用 3D 打印零件。在复杂的组装件中,Acist 利用 3D 打印围绕加工零件、电路板和集成电路,尽可能高效地设计塑料零件。在 Acist 的 EmpowerCTA 注射系统中,一个低压注射器有 36 个零件会显示在显示器上,其中有 7 个是 FDM 零件。Acist 利用 FDM 技术能够通过组合零件和增加额外复杂性,以新的方式设计制造医疗设备。对于传统的制造方法(如注塑成型),这种方法是不可
32、能的。FDM 技术能够让 Acist Medical Systems 轻松快速地测试原型。白皮书13具体来说,如果 Acist 不使用 FDM 的增材制造方法,那么现在完成显示的 7 个零件将会变成 15 个,超过制造和库存零件的两倍。Acist 围绕加工零件、电路板和集成电路设计 FDM 零件,优化设计以提高制造能力。模具和机械零件的设计必须经过可靠的测试,然后才能生产。该公司甚至还会在客户环境中测试 3D 打印零件的功能。在某个实例中,操作员指出需要将多种类型的换能器连接到同一台机器,并且还需要能够从一个换能器快速切换到另一个换能器。Acist 利用 CAD 软件很快设计出相应的零件来解决
33、此问题,并通过 Dimension 3D 打印机将其打印为功能零件,运送到全球并广泛用于不同机器。Acist 强调指出,FDM 易于创建和打印的零件,使用传统方法进行模具制作是非常具有挑战性的。FDM 3D 打印机能够让 Emma 佩戴量身定制的轻质外骨骼,从而可以让她充分使用自己的手臂。3D 打印零件的另一个例子突出了该技术如何允许打印前所未有的新医疗设备。特拉华州威尔明顿市内穆尔/阿尔弗雷德杜邦儿童医院的研究人员,使用 FDM 3D 打印机为一位小女孩打印了按比例缩小的外骨骼。该定制的外骨骼对于日常使用来说非常耐用,并且可以随着孩子的成长进行重新设计。否则,该外骨骼的零件对于传统 CNC
34、系统来说可能太小且太细。随着新材料和新想法的实现,用于医疗应用的 3D 打印将会继续增长。该技术具有许多优点,包括医疗产品和设备的定制和个性化、成本效益、提高的生产率以及增强的协作。同时,它还有助于创作以前不可能或难以想像的新设计和产品,以及产品类别。手术室使用 3D 打印进行原型设计和重新设计外科手术仪器,3D 打印用于固定仪器并使3D 打印材料赋予医疗设计师全新的工作方式白皮书14手术室保持整齐的治具,3D 打印监控设备的外壳,通过 3D 打印定制和打印植入患者体内的植入物,以及外科医生使用 3D 打印解剖模型进行手术的日子近在咫尺。设计师、工程师、医生、外科医生和其他企业家不受常规制造的
35、限制,可以对设计有不同的看法,以及可以只根据所需的形状、适合度和功能来制作零件。与传统制造零件相比,3D 打印产品的生产速度更快且成本更低。3D 打印模型可改善医院的骨科手术利用 3D 打印模型进行术前规划和预演,可为复杂的手术节省一个小时时间,并提高手术成功率。梁国穗教授正在扩大香港中文大学(CUHK)医学院创伤骨科,使其突破传统的角色,成为学术性临床科室。在威尔斯亲王医院的科室里,梁教授致力于提高手术的成功率和准确性、增强患者的信心并探索全新的创新手术方法,这些工作正在同时稳步推进。怎样做?梁国穗教授使用患者的 CT 扫描作为蓝本以 3D 打印其骨头模型。3D 打印材料赋予医疗设计师全新的
36、工作方式白皮书15使用 3D 打印技术制作骨头模型和手术导板,为骨科手术做好准备。3D 打印非常适合制作骨骼原型,因为人体骨骼中的钙可以使扫描的图像非常清晰。计算机断层扫描(CT)可以生成 3D 打印所需的文件。外科医生使用 3D 打印骨骼模型进行咨询、评估和手术规划,治疗包括骨癌手术、变性关节炎、四肢畸形重整和骨折骨骼重建在内的疾病。降低手术成本并缩短手术时间威尔斯亲王医院使用 Stratasys 的 Fortus 3D 打印机,利用 FDM 技术打印手术导板和手术工具。在使用 3D 模型准备外科手术之前,威尔斯亲王医院的大多数外科医生都依靠他们的经验和 CT 扫描来可视化和规划手术。而验证
37、他们的规划是否可行却只能是在手术室里。使用 3D 打印模型准备手术缩短了手术过程,提高了手术的准确性和成功率。“患者的 3D 打印骨骼模型用于测试稳定板或螺钉的不同位置。3D 打印让我们能进行深入评估和手术前预演,从而实现平稳的手术过程,使植入物更精确地吻合患者的骨骼曲度,”梁教授说。“同时,还降低了出血和随后感染的风险。”骨癌手术中最常见的切口部位之一是靠近膝关节的股骨末端。若要完全摘除肿瘤并重建功能性肢体,切口部位的准确性至关重要。3D 打印材料赋予医疗设计师全新的工作方式白皮书16矫正因交通事故而引起的骨盆骨折(医院的另一项常规手术)也需要极高的精确性。对于复杂的手术,如确定螺钉放置的角
38、度和金属植入物的位置,3D 模型提供了获得所需精度所需的试验空间。威尔斯亲王医院使用 3D 打印技术治疗各种病例,从矫正截骨术(因畸形使骨头重新排列)到因交通事故而造成的复杂骨折。在术前过程中融合 3D 打印零件后,将手术时间平均缩短了一个小时。创造创新的手术方法香港中文大学骨科学习中心生物医学工程师 Elvis Chun-sing Chui 说,“采用 3D 打印为试用创新的手术方法提供了一个平台。此外,3D 打印还促进了医生与患者之间的沟通。借助 3D 打印零件,患者可以更好地了解诊断和治疗情况。”除了打印手术导板之外,香港中文大学和威尔斯亲王医院进一步将其应用范围扩展到打印小型的一次性手
39、术工具。例如,对于骨科医生来说,经常使用手术导板以确保在将螺钉插入骨骼之前准确放置螺钉是非常有帮助的。这些小型塑料导板是根据每个患者的独特解剖结构和手术程序专门制作的。并且由于 Fortus 3D 打印机可以使用 PC-ISO(一种可消毒的生物兼容性热塑性塑料)进行打印,因此临床医生可以直接通过 3D 打印机对患者使用手术导板。在某个病例中,3D 打印手术导板的成本仅约 100 港币,比传统制造成本少几倍,并且生产速度更快。“3D 打印有助于我们推进医疗研究和开发,”梁教授说。“3D 打印 在手术导板和手术工具领域都提供了巨大的潜力。而且,使用 3D 打印所节省的成本现在可用于研发,最终使患者
40、、医生和研究人员都可以受益。”FDM 植入物使 Oreo 重获新生2011 年,一条名为 Oreo 的 6 岁混种犬左后髌骨出现脱位。为了缓解疼痛,不得不摘除它的髌骨,但手术后它变跛了。兽医随后找到骨科创新中心(OIC)(加拿大的一家为医疗设备市场提供服务的研究和测试机构),咨询了为 Oreo 制造一个人造假体的可能性。OIC 经常使用 3D 打印为客户缩短设计和生产周期,并生产小批量或定制产品,这对于 Oreo 来说是一个很好的解决方案。髌骨的 CAD 模型。白皮书17美国总部7665 Commerce Way,Eden Prairie,MN 55344,USA+1 952 937 3000
41、 www.stratasys- ISO 9001:2015 认证中国上海上海市静安区灵石路 718 号 A3 幢一楼邮编:200072电话:+86 21 3319 6093以色列总部1 Holtzman St.,Science Park,PO Box 2496 Rehovot 76124,Israel +972 74 745 4000Stratasys 官方微信 2020 Stratasys Inc.版权所有。保留所有权利。Stratasys、Stratasys 徽标、FDM、Fortus、Dimension、uPrint、ABS-M30、ABSplus、ABS-ESD7、ABS-M30i、A
42、BSi、PC-ISO、FDM Nylon 6、FDM Nylon 12、FDM Nylon 12CF 和 PolyJet 是 Stratasys Inc.在美国和其他国家/地区注册的商标或注册商标。ULTEM 是 SABIC 或其附属公司的注册商标。所有其他商标由各自所有者所有,而有关这些非 Stratasys 公司产品的选择、性能,或使用的问题,Stratasys 公司不承担任何责任。产品规格如有变更,恕不另行通知。WP_DU_MedicalDesign_A4_0520a为了帮助 Oreo 重获新生,OIC 获得了捐赠的髌骨,用于生成缩小的数字化副本。生物医学工程师随后将该文件转换为计算机辅
43、助设计(CAD)模型。然后,使用 Oreo 的另一个髌骨的 X 射线照片,根据股骨来修改 CAD 设计。“以 Oreo 为例,我们仅用四天时间就能够制造出量身定制的植入物,包括设计、分析、物理测试和制造。当我们沿着学习曲线向下移动时,仅在一或两天内就可以制造出类似的植入物。”3D 打印植入物OIC 通过 Stratasys 3D 打印机使用 PC-ISO 生物兼容性聚碳酸酯(ISO 10993 USP Class VI),利用 FDM 技术打印人造髌骨。对植入物进行物理测试,以验证它提供必要的机械强度的能力。将植入物使用氧化乙烯在 54C(130F)下消毒一个小时。在 Oreo 的手术过程中,使用聚丙烯缝线将植入物固定到肌腱和四头肌。Oreo 顺利恢复了,手术后八周恢复了腿的全部功能,并且具有全方位的运动和承重能力。主人说,它现在可以走很远的路,并用后腿跳。现在,三年多过去了,Oreo 可以继续凭借 3D 打印植入物享受积极的生活,没有出现并发症。“FDM 是制造植入物的理想技术,因为它可以生产出结实耐用且具有适宜物理特性的生物兼容性零件,”骨科创新中心总裁 Martin Petrak 说。“借助 FDM,我们可以根据受体的解剖结构量身定制植入体,从而有可能在功能和恢复时间方面取得显著的改善。”Oreo