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開疆拓土3D打印,闖進醫學新領域

文章作者:Lily | 2016-05-17
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 "3D打印"近幾年這項新技術非常火熱,小到模型玩具,大到汽車、飛機零件,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。其實,3D打印技術也是當前醫學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在醫學界應用的起點,也是發展最快的應用。究竟3D打印技術將如何改變當前醫療的基本規則與觀念?其中是否暗存著隱憂? 3D打印的治療費用,病患者又是否負擔得起呢?

3D打印的基礎

在香港威爾斯親王醫院的骨科門診部,每天病人熙來攘往,但他們可能從未注意到門診部旁邊的矯形外科及創傷學進修培訓中心,那里有一個小小的“3D打印工場”。2013年,香港中文大學矯形外科及創傷學系斥資85萬元人民幣,從美國購入了一部3D打印儀器并安置于此。此后,骨科醫生便陸陸續續開始研究和利用3D打印來協助醫治,“印骨”的工作排期表也開始越來越長。

香港中文大學矯形外科及創傷學系講座教授梁國穗說,其實早在20世紀80年代,他便在香港生產力促進局參觀過一些工業用的3D打印儀器。只不過在當時,這項技術還被稱為“快速成型”,主要用途也只是制作手機或設計珠寶。

如今的3D打印仍是一項非常年輕的科技,在醫學領域更是如此。目前,這個數碼年代的產物在醫學上的應用主要分為兩類:“打印”人體部分和“打印”手術工具。我們不妨先來談談前者。醫療用途有別于產品設計,而人體結構又相當精密,所以必須先要有人體掃描“數據”方能實現“打印”——換言之,先有3D掃描才有3D打印。

因此,電腦掃描技術的發展成了目前3D打印應用于醫療領域的基礎,并拓寬了相關用途,這也很自然地讓打印骨骼成為了技術起點。梁國穗解釋道:“骨骼結構很適合做電腦掃描,因為它含有大量鈣質,這能讓掃描出來的影像格外清晰。”

幫助完成手術

作為3D打印在醫學領域的敲門磚,打印骨骼模型的主要應用在為復雜的手術作盡可能詳實的計劃準備。

以切除骨癌手術為例,常見手術部位是大腿骨末端(近膝關節)。由于牽涉關節,手術后需要重建,因此位置必須相當準確。而3D斷骨模型則可幫助醫生仔細分析患者情況,精確定位手術的切口位置,甚至包括骨折復位、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固定骨骼,醫生還可利用斷骨模型預習手術,測試打入螺絲的位置與角度,度身訂制鋼板,比如預先塑造貼合骨骼的弧度等。如此,手術進行時便可精準、貼合地放入預定位置。

香港中文大學矯形外科及創傷學系曾用3D骨骼模型為8位病人做過術前預備,其中不乏多個相當嚴重的骨折個案,以及手肘、盆骨、腿部和足踝部位的手術。以往醫生在看過病人的電腦圖像后,通常只能憑經驗和想像預估手術的方法與過程,但最終是否切實可行,還是要在手術中才能知道,也就是行內所說的“open and see”。而3D掃描和打印技術的出現,幫助醫生高效準確地完成了術前計劃和準備,大大縮短了手術時間,提高了成功率。梁國穗指出,他們在治療那8位病人時,手術時間平均縮短了1小時左右,有利于術后康復。

實現個人化醫療

除了打印人體模型外,3D打印在醫學上的另一個應用便是打印手術工具。

例如醫生把鋼釘打入骨骼前,需要在骨骼外加置一個“瞄準器”,以協助他們將鋼釘以特定角度打入骨內。制作類似“瞄準器”這種專為某個特定病人實施手術而設計的,只用一次的“小工具”,在3D打印的輔助下,將會變得更容易。目前,印制一個“瞄準器”的物料成本只需100多元人民幣。

實現個人化定制是當前先進醫學領域的主要目標之一。以更換人工關節手術為例,現時的人工關節各種尺寸都是生產商確定的,病人像買鞋那樣,需要尋找最適合自己的尺碼。不過,鞋子的尺碼與腳只要大致匹配即可,替換的人工關節卻是越契合越好,因此盡快實現“私人訂制”非常有必要。原文地址:http://www.qbeat.tw/article/201605/1052.html

當然,由于受到打印的“墨水”——物料的限制,要為每位病人度身設計人工關節,在現階段還非常困難。

“墨水”的選擇

當前,可以直接植入人體的生物相融物料大都是金屬,例如制造人工關節的鈷鉻合金就是一種高強度的金屬物料。即使病人持續步行,人工關節的耐用度仍可達10~15年。

雖然目前已有一些3D打印技術的研究人員,嘗試以鐳射打印技術,讓金屬可以作為“墨水”,但專業人士指出,現階段的打印制成品剛性(即硬度)不足,仍需進一步研究才可以作為植入人體的假體。

至于打印手術輔助工具,目前主要使用的“墨水”仍是一些特殊塑料。而對它們的消毒工作,則是醫學家的最大憂慮。例如前文提及的“瞄準器”,在手術時會直接接觸病人的皮肉,若它含有某些毒素,便會非常危險。

為了解決消毒問題,目前醫生主要會選用兩類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℃)。樹脂曾經也是備選項之一,但由于其耐熱度相對較低,未必能夠承受低溫消毒程序(約70℃),因此被排除在外。

減輕醫療負擔

以長遠發展眼光來看,我們的確可以實現為每一宗手術都印制獨立輔助工具的夢想。而以往由生產商大規模生產醫療器械的運作模式,或將面臨重大轉變。梁國穗相信,以3D打印制造“個性化手術工具”絕對是未來發展的大方向,而且他預估至少可以減少80%由大型生產商制造的相關產品,由此節省成本,減少患者醫療負擔。

相信這對于所有病患來說,都是一大福音。而行業生產商雖然會因日趨成熟的3D打印技術受到沖擊,但他們也可以減少研發成本。這對于所有人來說都不是一個壞消息。

多領域的成功先例

有關3D打印的醫學應用,科學界的確有過不少想象,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、神經線、血管甚至氣管,是否都可以“打印”出來?

2015年,美國北卡羅來納州Wake Forest再生醫學研究所,便成功地以活細胞作為“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胞,并在實驗室內以人體溫度進行培植,大約6~8周后便可供移植。

美國另一家研發活細胞3D打印的公司Organovo,則嘗試結合干細胞技術,將多個活細胞制成直徑只有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小時后待支架穩定,便把凝膠清除。最后把管狀實體及活細胞放在特制的培養箱數周,3D打印血管便會成形。

香港大學醫學院與工程學院合作進行的3D打印研發項目,選擇的突破點也著眼于活細胞打印,他們希望可以直接打印出能夠置入人體的軟組織,并應用于骨骼、關節、韌帶和神經等的修復治療。研究人員正在設計的一款以活細胞為“墨水”的3D打印機,造價可能高達600萬元人民幣。

2015年10月,世界首創的3D生物血管打印機在中國問世。這款打印機可在短短2分鐘內能打印出10厘米長的血管,甚至包括血管中的中空結構和多層不同種類的細胞。

第三次工業革命?

幾年前,《經濟學人》曾以“第三次工業革命”盛贊了3D打印這項新興技術,將3D打印提到了一個前所未有的高度,但許多專業人士對這個說法嗤之以鼻。

在郭臺銘看來,3D打印制造的手機根本就只能看不能用,因為在這些制成品上不能加電子元器件,無法為電子產品量產。即使不說電子產品,受到材料的限制,3D打印可以生產的其他產品也很少。

如今,3D打印的確更適合一些小規模制造,尤其是高端的定制化生產,似乎醫療領域恰恰就是這樣的一個絕佳天地。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世。從當前的情況來看,雖然3D打印技術還無法應用于規模化生產,但只要突破了材料的限制,未來該技術的應用范圍將會越來越廣,在醫療領域,它將給我們更多期待。

問,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2D平面圖,3D打印機通過分層加工、疊加成形的工序,將2D平面逐層堆疊,“印”成3D實體。

3D打印骨骼一般分為以下幾步。

1.設計:取得電腦掃描圖像,經影像分析軟件(如Mimics),把影像作3D重組處理后,醫生與生物醫學工程師一同商議治療方案及所需打印部位。

2.入機:影像經過處理后,會送往3D打印機打印。工程師會預先計算好最省時省料的模型擺放位置。

3.打印:采用熔融沉積成型(FDM)技術,即將塑膠材料經高溫熔解,以液態噴出,隨即變為固體。3D打印機均為雙噴嘴設計,左邊噴出打印實體(如骨骼)的物料,右邊則為支撐物料,用以支撐3D實體的“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,此法可確保實體表面不受損壞。

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