快速成型在生物醫(yī)學領域的應用

快速成型在生物醫(yī)學領域的應用

RapidPrototypingforBiomedicalApplications學生：學號：

LOM薄型材料選擇性切割SLS粉末材料選擇性燒結SLA液態(tài)光敏聚合物選擇固化FDM絲狀材料選擇性熔覆成型數字光加工噴射多層噴墨建模制作ThereareseveralRPtechnologiesinmedicine,whichcanbedividedinsubtractiveandadditiveones.1方法分類

1方法分類ComparisonofdifferentRPtechnologiesRPtechniqueAdvantageDisadvantage(CNCmilling)

Lasersintering

Stereolithography

Inkjetprinting

3Dprinting

FDM/FDC

3DplottingBroadrangeofbulkmaterialsExcellentmechanicalstrengthHighaccuracyGoodmechanicalstrengthBroadrangeofbulkmaterialsGoodmechanicalstrength

Excellentaccuracy

NoinherenttoxiccomponentsFastprocessingLowcostsLowcosts

BroadrangeofmaterialsBroadrangeofconditionsIncorporationofcells,proteinsandfillersNocomplexinternalstructure

ElevatedtemperaturesUncontrolledporosityLimitedtoreactiveresins(mostlytoxic)SlowprocessMateriallimitedtolowmeltingpointwax

WeakbondingbetweenpowderparticlesBadaccuracy

ElevatedtemperaturesSmallrangeofbulkmaterialsMediumaccuracySlowprocessingLowaccuracy

Nostandardcondition

TherearevarietiesofmaterialswhichcanbeusedformedicalapplicationsofRP.Materialsmustshowbiologicalcompatibility.RPmedicalmaterialsinclude:?Photosensitiveresinsformedicalapplication;?Metals(stainlesssteel,titaniumalloys,CobaltChromiumalloys,other);?Advancedbioceramicmaterials(Alumnia,Zirconia,Calciumphosphate-basedbioceramics,porousceramics)forLOM;?Polycaprolactone(PCL)scaffolds,polymer-ceramiccompositescaffoldmadeofpolypropylene-tricalcium?phosphate(PP-TCP).PCLandPCL-hydroxyapatite(HA)forFDM,PLGA,starch-basedpolymerfor3DP,polyetheretherketone-hydroxyapatite(PEEK-HA),PCLscaffoldsintissueengineeringfor(SLS);?Bonecement:newcalciumphosphatepowderbinders(mixtureoftetracalciumphosphate(TTCP)andbeta–tricalciumphosphate(TCP)),Polimethylmethacrylate(PMMA)material,otherpolymercalciumphosphatecementcompositesforbonesubstitutesandimplants;?Manyotherbiocompatiblematerials參考文獻:4thInternationalConferenceonMaterialsProcessingandCharacterizationModernTrendsinRapidPrototypingforBiomedicalApplicationsDeepenBanoriya,RajeshPurohit*andR.K.Dwivedi2材料分類

1990年，快速成型技術開始應用于醫(yī)學領域，在醫(yī)學界被用來制作診斷模型和進行手術模擬。近年來，快速成型技術在成型材料和成型工藝上發(fā)展很快，制作完成的器件不僅是供參考和研究的模型，更可以是直接應用的功能組件，以恢復患者正常的生理功能。（1）物理模型的復制（2）疾病的診斷及輔助、模擬手術（3）個體化假體制作（4）生物支架和器官打?。?）整形外科（6）組織工程

3應用分類

4應用實例A快速成型技術在口腔修復體制作中的應用[1]1蠟型的快速成型制作活動和固定修復體都需要進行蠟型的制作。吳琳等[2]應用CAD和激光固化快速成型技術制作出了活動義齒支架的樹脂模型。Williams等[3]運用激光固化快速成型技術制作樹脂模型后再進行鑄造，最終形成金屬基托鑄件。目標病例數據CT圖像三維數據圖像的重建制造缺損的蠟模2口腔金屬修復體的直接快速成型目前，有學者采用快速成型技術與激光燒結相結合，直接對各種金屬粉末進行成型和燒結，制作出了口腔金屬修復體。Williams等利用激光燒結快速成型技術對金屬粉末直接進行成型，成功制作了局部可摘義齒的金屬基托。吳江等在激光快速成型系統(tǒng)上，對鈦粉直接成型燒結，制造了全口義齒鈦基托。（1）物理模型的復制實際應用3陶瓷修復體的快速成型Lewis等[4]運用微滴噴射成型法對氧化鋯陶瓷粉快速成型，制作出了陶瓷工件，并對其結構和性能進行了初步的研究。Yin等[5]采用快速成型方法完成陶瓷試件的成型，然后燒結出成品，并對其微觀結構和強度進行測試，得到了滿意的研究結果。如圖為生物陶瓷修復假體參考文獻：[1]錢超快速成型技術在口腔修復中的應用（上海交通大學醫(yī)學院附屬第九人民醫(yī)院口腔修復科；上海市口腔醫(yī)學重點實驗室上海200011）國際口腔醫(yī)學雜志第39卷3期2012年5月[2]吳琳,呂培軍,王勇,等.可摘局部義齒支架鑄型的計算機輔助設計與制作[J].中華口腔醫(yī)學雜志,2006,

[3]WilliamsRJ,BibbR,RafikT.Atechniqueforfabricatingpatternsforremovablepartialdentureframeworksusingdigitizedcastsandelectronicsurveying[J].JProsthetDent,2004,91（1）：85-88.[4]LewisJA,SmayJE,StueckerJ,etal.Directinkwritingofthree-dimensionalceramicstructures[J].JAmCeramSoc,2006,89（12）：3599-3609.[5]YinL,PengHX,YangL,etal.Fabricationofthree-di-mensionalinter-connectiveporousceramicsviaceramicgreenmachiningandbonding[J].JEurCeramSoc,2008,28（3）：531-537

4應用實例應用快速成型技術重建人工顱骨將快速成型機制造完成的顱骨缺損模型實體翻制成石膏陰模,然后在石膏陰模腔中填入生物活性人工骨材料,待材料固化、脫模、修整后即可制得患者骨修補治療所需要的人工顱骨。圖1、圖2和圖3分別對應LOM法、SLA法和SLS法制造的顱骨缺損部位的實體模型。LOM法制作的紙質實體模型SLA法制作的光固化樹脂實體模型SLS法制作的工程塑料實體模型參考文獻：陳德敏,劉義榮,劉俊.上海交通大學醫(yī)學院附屬第九人民醫(yī)院生物材料中心,上海市口腔醫(yī)學重點實驗室,上海200011;2.上海倍爾康生物醫(yī)學科技有限公司,上海201203)LOM法制成的模型表面精度較高，適合做大件和實體件。但是制作過程中需要人員看護,最終完成的蝕刻模型需人工剝離,成形件表面粗糙，強度差，,不易長期保存。SLA法加工的產品有較高的精度和強度,適合做小件和精細件,成形件適宜攜帶和保存，但是成本高,使用的光固化樹脂價格昂貴。SLS法選材廣泛,可燒結蠟粉、聚碳酸酯、工程塑料、陶瓷、金屬粉末等,材料利用率高,成本低,造型速度較快，但強度和精度不是很高。綜合上述三種制作工藝,就性價比而言,我們認為SLS法比較適合顱骨缺損的重建和制造。

4應用實例（2）疾病的診斷及輔助、模擬手術

廣州軍區(qū)廣州總醫(yī)院骨科醫(yī)院髖臼骨折是創(chuàng)傷骨科的難題之一，因為髖臼具有位置較深、形狀不規(guī)則、且毗鄰重要神經血管等解剖特點，同時手術治療時需盡可能解剖復位以免術后創(chuàng)傷性關節(jié)炎的發(fā)生，這就需要在術前進行詳細的手術計劃。使用計算機輔助技術及快速成型技術術前規(guī)劃髖臼骨折手術方案計算機輔助CT三維重建技術能清晰地顯示骨盆骨折的部位、程度及骨折移位情況，快速成型技術可以使復雜髖臼骨折的三維重建圖像以與真骨盆1∶1等大的實體模型形式呈現在醫(yī)師眼前，使臨床醫(yī)師可以更好的觀察骨折及碎骨片情況，進而可以模擬骨折塊的復位，以及鋼板內固定、螺釘植入等操作。通過術前模擬操作預選內固定材料長度，選擇恰當的固定位置及植入方向，有助于提高術者制定手術方案的準確性，節(jié)約手術時間，減少術中出血量。而且快速成型制成的骨盆模型還可以消毒后在手術臺上為術者提供參考參考文獻：李寶豐，章瑩，邰國良，代元元，謝會斌，郭曉澤，朱昌榮，王非3D數字骨科技術在髖臼骨折治療中的應用廣州軍區(qū)廣州總醫(yī)院骨科醫(yī)院JSouthMedUniv,2016,36(7):1014-1017

4應用實例

4應用實例A（3）個體化假體制作2013年惠靈頓維多利亞大學畢業(yè)生JakeEvill采用3D打印技術設計出了骨折外固定支具CortexCast(圖1)，2014年土耳其設計師丹尼斯·卡拉薩欣同樣采用3D打印技術設計出多孔結構的骨折外固定支具OsteoidCast(圖2)取代通常的石膏或高分子材料固定支具，在保證穩(wěn)定性的同時更加輕便、通風、耐水洗，而且比傳統(tǒng)的外固定支具更舒適美觀。（4）生物支架生物支架通過數字化設計、3D打印成型，可以按需設定特定的支架孔隙大小及交聯(lián)，為細胞黏附、增殖、分化提供場所，逐步形成新的與自身功能相一致的組織，達到創(chuàng)傷修復的目的。在創(chuàng)傷骨科缺損修復中通常會用到生物支架，如人工骨的組織工程支架。孫梁和熊卓應用3D打印技術制作的聚乳酸－聚羥乙酸/磷酸三鈣生物支架修復了兔長達15mm的橈骨缺損，且生物支架降解速度與成骨速度匹配完好。

4應用實例器官打印基于細胞的生物打印，由于人體的皮膚相較于其他器官細胞結構簡單，成活率較高，如今很多基礎及臨床研究機構研發(fā)出的各種皮膚打印技術，生物試驗效果良好。如美國維克森林大學開發(fā)的皮膚激光掃描打印技術，首先使用激光掃描儀掃描患者患處并生成填充程序，后由3D打印機通過生成的填充程序在患處填充皮膚細胞覆蓋傷口達到治療目的。荷蘭萊頓大學提出了SkinPrint(皮膚打印)概念，取一小塊患者健康皮膚用于誘導制備多能干細胞，將制備好的多能干細胞作為3D打印墨水修復損傷皮膚，可最大限度避免自身免疫反應的發(fā)生。東京大學醫(yī)學系附屬醫(yī)院高戶毅教授率領的研究小組，以富士膠片公司基于基因工程學研發(fā)的重組人膠原蛋白肽為主要材料，向其中混入從患者體內提取的干細胞和促進細胞增殖的生長因子等，然后通過改良的醫(yī)用3D打印機制備出皮膚用于創(chuàng)傷皮膚的修復。3D打印機制備出的人體皮膚

4應用實例

（5）整形外科目前，國內外應用快速成型技術制作贗復體的方法有熔融擠壓法、激光固化快速成型、激光燒結法等。熊耀陽等[1]應用熔融擠壓法進行鼻贗復體的制作，經臨床檢驗符合修復學標準。周冰等[2]進行選區(qū)激光燒結，制作出了鼻贗復體的蠟型。蠟型達到了臨床應用的制作要求，翻制成最終的硅橡膠贗復體，獲得了滿意的臨床效果。李風蘭等[3]利用選取激光燒結法制作了耳贗復體，表明了選區(qū)性激光燒結技術可以用于制備復雜形態(tài)的耳贗復體蠟模型，為該技術在頜面贗復體制作中的應用提供了依據。AlMardini等[4]通過CAD技術，利用激光固化快速成型的方法將流動蠟直接成型為耳贗復體模型。潘景光等[5]運用快速成型技術制作缺損區(qū)表面形態(tài)的蠟型，最終完成硅橡膠眶贗復體的制作。Feng等[6]運用激光燒結法制作頜面部修復體的蠟型，再使用浸蠟法進行細微結構的美化，最終完成了贗復體的制作。參考文獻：[1]熊耀陽,陳曉波,焦婷,等.快速成型技術在鼻贗復體制作過程中的應用[J].上海交通大學學報：醫(yī)學版,2008,28[2]周冰,趙銥民,吳國鋒,等.選區(qū)激光燒結成型技術在鼻贗復體制作中的應用[J].中國激光,2008,[3]李風蘭,趙銥民.選擇性激光燒結法燒結復合蠟粉制作耳贗復體[J].中國激光,2009,36（10）[4]AlMardiniM,ErcoliC,GraserGN.Atechniquetoproduceamirror-imagewaxpatternofanearusingrapidprototypingtechnology[J].JProsthetDent,2005,94（2）：195-198.[5]潘景光,趙銥民,蘇方.單側眶缺損的三維仿真設計與快速制作[J].中國組織工程研究與臨床康復,2009,13（43）：8496-8498.[6]FengZ,DongY