2019年，计算轴向光刻技术因为一篇发表于science的文章而引发关注。它采用一种完全不同的方式实现3D打印，在这个过程中，光从一个商用的DLP投影仪里射出，投向一个装有光敏液体且持续旋转的系统，在不到一分钟的时间里，物体就在液体里逐渐成型了。这个系统的核心就是CAL算法。 轴向光刻技术存在争议，也存在问题计算轴向光刻技术是受到了计算机断层扫描（CT）的启发，因为成型方式的不同，也被称为“体积增材制造”技术。这项技术的研究者加州大学与劳伦斯利弗莫尔国家实验室的研究团队申请了一项美国专利，然而类似的技术已由国内研究人员于2016年提出（PCT/CN2016/080097），因此引起了一些争议。此外，虽然这种方法理论上可以获得高分辨率，但与传统的DLP技术一样存在一些问题。 轴向光刻技术的原理 首先，该技术仅限于光敏材料，因而限制了制备多材料或微结构的潜力。在打印过程中，固化区域悬浮在液体中，通过加入高粘性或固体前驱体来减轻位移和几何错位。然而，这可能导致前驱体材料残留在结构中。 其次，氧含量的衰减和氧/抑制分子的扩散对该技术制造精度的影响有待进一步研究。目前研究人员提出了一种延迟固化时间的氧抑制方法。通过在打印材料中充分溶解氧或其他抑制分子，光引发剂产生的自由基优先与抑制剂反应，从而在目标区域中积累足够的光强度以确保固化。然而，在打印过程中，目标位置液体中的氧含量会衰减，因此非线性衰减对材料响应的影响需要进一步研究。在反应的最后阶段，目标位置的氧气低于阈值，材料迅速凝固。在这种液-固转换过程中，氧和其他抑制分子的反应机理还需要更多研究才能提高制造精度。 该技术打印的“思想者” 第三，光的散射和光学叠加影响制造精度。目前，通过加入染料可以限制入射光的波段，垂直入射可以降低光折射引起的模糊。然而，由于容器壁和液固界面的物理性质，入射光必然会引起一定程度的折射、反射和衰减。由于投影系统的焦距远大于打印体的直径，因此忽略了光路的这些变化。当分子聚集时，固液界面也会引起光路的变化，从而导致能量损失和成像误差。因此，为了提高打印精度，必须考虑这些因素。 在生物打印和再生医学领域有重要应用潜力尽管对CAL技术存在争议，但随着计算算法和光分析的改进，这项技术将产生更多技术突破，特别是在生物打印和再生医学领域。浙江大学的研究团队一直在进行角膜、皮肤和心脏贴片的3D打印研究，旨在开发可移植组织植入物来治疗疾病和损伤，如角膜病变引起的失明、皮肤烧伤和心肌梗死。 3D打印在生物打印和再生医学领域具有重要应用潜力 研究人员正在密切跟踪各种生物制造技术的发展，与传统的增材制造技术相比，计算轴向光刻技术在生物组织工程领域至少具有以下优势： 首先，CAL技术在液体材料制备组织或器官方面具有固有的优势。目前，至少有15种组织或器官可以使用粘性液体材料（骨、软骨、角膜、神经、肌肉、血管、淋巴组织、内分泌腺、子宫、卵巢、宫颈阴道组织、肺、气道、肝、肾）进行3D打印，其中角膜、肝、血管可以使用DLP技术。 瑞士和荷兰的研究团队采用该技术，仅几秒钟就“雕刻”出了复杂的组织形状 其次，CAL允许构建坚实光滑的表面，使大多数组织和器官的制造成为可能。例如，可以制造出表面光滑的透明角膜，并有可能移植到动物甚至人类患者身上。最后，CAL在所有其他3D打印技术中实现了前所未有的制作速度，显著加快了从制造到手术的过程。 计算轴向光刻技术增材制造技术的一大进步，它提供了前所未有的制造速度和分辨率。一旦适应生物医学的应用要求，这项技术将为组织工程和再生医学提供革命性的发展。 本期上传： 1.加州大学关于该技术的研究论文及专利 2.国内类似技术的专利 3.浙江大学关于该技术的探讨原文。 欢迎转发联系笔者：2396747576;技术交流和资料下载群：867355738；网址：延伸阅读： 1.生物组织工程技术的变革—体积打印技术 2.中国科学家如何采用干细胞实现血管3D打印 3.组织工程：角膜，也可以3D打印 4.3D生物打印的革命：会跳动的心脏，会呼吸的肺和会生长的骨

2019年，3D打印技术的革新继续获得突破，从打印速度提升到打印材料扩展，从应用深入到生产流程的全自动化，新突破和新技术引领2019年度3D打印行业的发展。本期，3D打印技术参考例数本年度本行业的技术突破和应用。 1. 轴向光刻技术 如果传统上提到的3D打印还只是二维打印的纵向叠加，那轴向光刻则能称得上是真正的三维成型。1月31日，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）与加州大学伯克利分校的研究人员于《Science》发表最新成果，其采用多激光在轴向旋转过程中实现不同角度同时曝光，使材料能够从模型的“内核”逐渐向外部固化，实现了真正的立体打印。 轴向光刻体积打印 轴向光刻技术比现有的聚合物3D打印技术快很多倍，通常只需几分钟就可以完成打印，生产的零件具有良好的表面粗糙度，并且可以做到更大的尺寸。此外，轴向光刻技术所打印的零件受周围液体浮力的支撑，首次实现真正无支撑3D打印。未固化的光敏材料也几乎零浪费，100%可重复利用。 2. 3D打印会生长的骨、会呼吸的肺，会跳动的心脏 2019年，生物和医学3D打印取得重要突破。4月15日，以色列特拉维夫大学在Advanced Science上刊文，宣布成功用人体细胞制造出世界上首颗3D打印心脏。这颗人工心脏大约两厘米长，不仅有心脏细胞，还有血管和其他支撑结构，甚至能像真实的心脏一样跳动。最关键的是，这颗心脏的“打印原料”和“粘合胶水”，均来自患者本人体细胞，不会在进行器官移植时产生任何排异反应。这项研究为器官移植带来新的可能。 心脏3D打印过程 4月18日，西北工业大学汪焰恩教授团队3D打印活性仿生骨技术取得突破性进展，团队研制的3D打印活性仿生骨可以做到与自然骨的成份、结构、力学性能达到高度一致，可在生物体内“发育”，甚至使自体细胞在人造骨中生长，最终，人造骨与自然骨很好地生长在一起。 3D打印的活性仿生骨 5月3日，《Science》最新一期封面文章带来了美国莱斯大学与华盛顿大学的研究团队的一项里程碑式发明，他们采用立体光刻3D打印技术制造了肺部错综交缠的血管网络以及用于运输空气、淋巴液等物质的管道。这枚3D打印的肺具有完整的血管结构，能够朝周围的血管输送氧气，完成“呼吸”过程。 3D打印的可呼吸肺泡组织 8月2日，美国卡内基梅隆大学Feinberg教授团队提出了一种利用悬浮水凝胶自由可逆嵌入(FRESH)来对胶原蛋白进行3D生物打印，这种方法能够从毛细血管到整个器官的不同尺度上直接获得具有精确控制组成和微观结构的人体心脏组织成分。相关论文以“3D bioprinting of collagen to rebuild components of the human heart”为题，发表在《Science》上。 用人类心肌细胞打印的心室显示同步收缩‍ 从这四项重要进展可以看出，3D打印对于医疗的贡献是巨大的。在未来10年，人们有可能会采用自身的组织细胞制造出活性的组织和器官，这无疑能够最大程度解决移植器官的供体短缺问题。 3. 新型大尺寸、高速、光固化技术，突破Carbon打印速度最高纪录 2019年10月18日，《Science》发表美国西北大学关于一种大尺寸、高速、光固化（DLP）3D打印机的最新成果，其改进的重点与Carbon的CLIP技术类似，即通过树脂槽的改进（创建隔离层）防止打印过程中零件与树脂槽的黏连，从而可连续性实现快速打印；同时，该方法还可消除固化过程中产生的热量，最终突破了Carbon CLIP技术打印速度的最高纪录。 HARP快速打印过程 得益于良好的散热技术，HARP技术打印的零件不会出现破裂和变形，可打印高强度、弹性以及陶瓷零件。这些连续打印的零件机械性能很好，可用于汽车、飞机、牙科、矫形器、时尚等领域。HARP原型机尺寸为610*380*3960mm，每小时连续垂直打印高度超过430mm，固化树脂100升，具有3D打印创纪录的吞吐量。HARP技术有望在未来18个月内进行商业化应用。 4. 高强铝合金材料屡获突破 本年度，国际范围内有多个牌号的高强铝合金获得上市和应用。 3月，中国长沙新材料产业研究院通过添加稀土元素及化学成分调整、后处理工艺摸索等手段，成功研制出了一种高强铝合金粉末材料。通过在多家用户不同型号设备上机使用验证，此种合金粉末材料的成型零件室温拉伸强度达到535MPa以上，屈服强度达到510MPa以上，延伸率达到12%以上。与空客公司研发的高强铝合金粉末产品性能相当，目前已被航空航天用户采购应用。 8月，莫纳什大学吴鑫华院士领导的研究团队成功开发出了牌号为Al250C的高强高韧增材制造专用铝合金材料，为3D打印铝合金材料再添一名明星成员，其拉伸强度目前已超过600Mpa，屈服强度可达580MPa，延伸率11%，制备的构件在250℃高温下通过了持续5000小时的稳定试验，相当于发动机常规服役25年的要求。此举受到了包括美国通用、波音、雷神、赛峰等多家航空巨头的重视。同月，英国铸造专家Aeromet International宣布，其获得专利的铝合金A20X已超过500 MPa的极限拉伸强度，这一成就将这种材料确立为“市售最强的铝增材制造粉末之一”。A20X是一种铝铜合金材料，已经被领先的航空铸造供应商的全球网络所采用。 当前高强铝合金的性能对比（具体成分数据上传至QQ群） 10月，美国休斯研究实验室（HRL）开发的3D打印用高强7A77.60L铝合金正式投放市场。该材料因使用锆基纳米颗粒作为成核剂，避免了7075和6061铝合金在采用激光进行打印时出现的易开裂问题，并可实现细晶粒微观结构，强度超过600 Mpa，成为首个可用于增材制造的锻造等效高强度铝合金。 据SmarTech介绍，铝合金占金属3D打印中所有金属粉末的消耗量（按体积计算）将从2014年的5.1%逐渐提高到2026年的11.7%左右。铝合金正在追赶上钛、镍和钢等材料，成为支持增材制造下一代发展的重要机遇。 5. 哈佛大学开发多材料多喷嘴，高频无缝切换3D打印系统 11月13日，哈佛大学工程与应用科学学院研究团队在国际顶级期刊《Nature》在线发表研究文章，涉及一种新型的多材料全彩3D打印系统，为3D打印功能材料制造提供了一种新的途径。 研究团队采用该技术开发的16脚软硬质弹性体功能机器人 该团队设计的多材料多喷嘴3D打印系统通过使用高速压力阀控制并行排列的多达128个喷嘴，能够在极短时间内实现八种不同材料无缝高频切换，实现对材料组成、几何形状和结构性质的体素级别控制，从而大大拓宽了可以设计和制造复杂图案的体素化材料的范围，推动了增材制造可达到的速度和材料界限。这一突破不仅仅是实践应用的进步，更具备改变设计、制造功能器件的潜力。 6. eos金属3D打印批量生产全自动化试点取得全面成功 自2017年5月以来，EOS联合戴姆勒汽车、Premium Aerotec（飞机零配件制造商）发起名为“NextGenAM”的新一代增材制造试验性生产线项目，旨在探索金属3D打印在批量生产中的自动化潜力。今年5月，该项目成功完成，11月，该项目成果在法兰克福3D打印展会期间面世。 金属打印无人干预、全自动化的生产流程 “NextGenAM”致力于无人干预、全自动化的生产流程，所有机器网络化，全部由中央自动控制站发出命令并控制，集成质量管理的连续3D数据链使该生产系统成为未来工业4.0基准的首批案例之一。自动化的生产线可被轻松复制，以扩大工厂的产能。该项目的成功证明，金属3D打印完全可以自动化的实现经济、高效的批量生产，同时也证明了数字化制造的可行性。 7. 激光烧结技术开启光源性改变 传统上，激光烧结技术一直使用CO2激光器作为能量来源，即EOS于去年推出基于近百万个二极管激光器阵列的LaserProFusion技术之后，SLS技术的光源开始发生多样性改变。 3月，中国华曙高科推出高分子光纤激光烧结技术，在效率、产能、打印细节品质方面刷新现有同类技术的记录，把SLS工艺带到了新的发展阶段。 SLS光源改变，打破常规 11月，EOS再次革新SLS技术—第一次将CO激光器用于工业级粉末床3D打印。相比于CO2激光器，CO激光具有前者一半的输出波长，更高的材料吸收率和更小的聚焦光斑，从而可以更高的粉层厚度和更低的功率进行更高细节表现力的加工。 SLS技术光源形式的改变，均在于提升生产效率和降低生产成本，对丰富技术多样性和促进3D打印应用大有裨益。 8. 飞秒投影双光子光刻，将3D打印提速1000倍 基于双光子光刻(TPL)的亚微米增材制造技术有望实现量产制备具有纳米尺度的复杂三维结构。然而，对于工业应用而言，TPL的连续逐点扫描速度太慢。同时使用多个单光电无法达到亚微米分辨率，或者无法模拟复杂的结构。美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室和香港中文大学合作提出一种通过超快激光打印亚微米结构的技术，通过投影2D聚焦平面构筑3D模型。这种方法在不牺牲分辨率的情况下将传统方法的产率提高了三个数量级，能够在8分钟的时间内打印出传统TPL方法几个小时才能完成的结构。 制备纳米尺度复杂三维结构 该技术的打印量、分辨率和模式灵活性使其成为一项有吸引力的技术，可实现微纳米结构的批量制造，可用于机械和光学超材料，微光学、生物支架，电化学接口和柔性电子器件多种领域，是一项具有实用性的革新技术。相关研究成果刊发在《Science》上。 9. 中国国产大尺寸SLM设备爆发 此前，基于SLM的大尺寸金属打印机几乎全部为欧美公司所垄断，如SLM Solutions (SLM800)、concept laser (X line…

由于人口老龄化、消费升级和政策扶持，中国骨科植入物市场近年来发展迅猛，市场规模从2009年的67.4亿增长至2018年的262亿，保持了较高的年度复合增长率。其中，创伤类、脊柱类和关节类是最主要的骨科植入耗材。 由于价值较高、对人体生命和健康有重要影响，植入物的生产和使用受到了严格监管。由于制造方式的进步，医疗器械的制造方式已经多种多样，近些年来3D打印的快速发展为医疗植入体的制造提供了新方式，同时也正在被国家药监局大力推进。然而，作为一项新的加工方式，3D打印的医疗器械也面临一项重要的安全性挑战—消毒灭菌，这对于高分子材料尤其重要。 3D打印正在逐步提高到一系列医疗器械更高的生产水平 ▌反复的热灭菌过程导致钛合金、高聚物等材料失效 医用材料在使用过程中需要经常消毒，然而一些聚合物可能符合化学稳定性或强度方面的规定，但可能会因长时间反复暴露于热灭菌过程而过早分解；钛合金植入物经受长期反复高压蒸汽灭菌也会造成材料疲劳引起断裂（氢脆失效）。对于使用特定温度形成聚合物的3D打印工艺，需要高耐热性也就意味着更高的加工温度。这可能需要特殊的高温打印机、加热床等设备，并可能需要一个封闭的内部空间来控制环境条件以防止医用材料被破坏。 钛合金植入体也存在疲劳断裂风险 3D打印的PEEK植入体（来源：陕西聚高） 在医用材料消毒中，挑战不仅仅是加热。用消毒剂擦拭设备等简单的操作会随着时间的流逝而降解聚合物。如下表格是熔融沉积（FDM）工艺可接受的相关卫生消毒方法，目前来说这可能是一种经济高效的零件制造与灭菌方法，可以针对医疗应用进行适当的灭菌。 常见的可消毒材料 材料 制备技术 灭菌方法 ABS M30i 熔融沉积建模（FDM） 伽马射线，环氧乙烷 PC-ISO 熔融沉积建模（FDM） 伽马射线，环氧乙烷 PPSF 熔融沉积建模（FDM） 环氧乙烷，等离子体，伽马射线，化学试剂 PA12(nylon) 选择性激光烧结（SLS） 环氧乙烷，等离子体，伽马射线，化学试剂 17-4PH Stain-less Steel 选择性激光熔化（SLM） 环氧乙烷，等离子体，伽马射线，化学试剂 ▌开发专门用于医疗领域3D打印的更高等级材料 目前全球有多家公司正在努力开发专门用于医疗领域3D打印的更高等级的聚合物。美国某公司去年提出某些材料特性是耐高温、耐化学腐蚀和耐磨损的并且同时宣布了三种新的用于医疗领域材料： 1.KetaSpire PEEK AM Filament NT1 HC； 2.KetaSpire PEEK AMFilament CF10 HC； 3.Radel PPSU AM Filament NT1 HC. PEEK打印机采用高温喷嘴 同年某化学公司一直在追踪医用设备中的聚合物，发现使用溶剂和其他化学物质对聚合物进行消毒可导致过早失效。为此，该公司开始了一项测试，该测试正在被更多公司采用。测试由不同半径的刚性夹具组成，将测试和对照样品安装到选定的夹具上，测试样品暴露于消毒剂中24小时，然后对测试和对照样品进行冲击测试，惊人的发现可以使用任何消毒化学品进行此测试。该公司目前正在与其他公司合作，以帮助医疗原始设备制造商（OEM）将正确的材料用于医疗应用，或了解在不同产品上应使用哪种消毒剂。 END 随着材料供应商越来越意识到对聚合物进行消毒的挑战以及3D打印在医疗行业中的优势，一些供应商正在大步迈进，将更高强度和耐化学性的塑料推向市场。除了灭菌之外，从3D打印原型制作到生产还有其自身的挑战。当然要使用灭菌材料，医疗市场的定制量和有限的投放量还需要进行一定的管制。 本期上传内容： 1.《国产骨科植入物制造中小企业供应链分析》 往期上传内容： 1.《定制式医疗器械监督管理规定》 2.《定制式医疗器械团体标准》 欢迎转发联系笔者：2396747576;工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738 延伸阅读： 动画揭示：髋臼杯的机械加工、3D打印及植入过程 国内对3D打印医疗器械的生产、应用有哪些严格要求和限制 3D打印医疗植入体的安全性、国内审批流程及存在的问题医疗：PEEK相较金属植入物的优势与不足

3D打印技术在个性化骨科医疗植入物领域的应用已经比较普遍，采用3D打印制作的的颅骨、下颌骨、肩胛骨、胸骨、脊柱笼、髋臼杯、膝关节、截骨融合器等均已在临床手术中获得了应用，部分产品已经实现了稳定的批量化生产。 由于3D打印骨科医疗植入物直接与患者的生命健康和安全息息相关，因此在做手术植入人体之前必须完成大量的研发试验，包括原材料的选取和测试、结构形式的确定、动物试验的验证、临床手术的实施等。经过多年实践，3D打印骨科医疗植入物在应用过程中积累了很多宝贵的经验。 由于巨大的市场需求，目前已有多家专业的3D打印医疗植入物器械供应商。从种类上来说，截至2017年底，FDA已批准了超过100个3D打印医疗产品，涉及近20个类别。 FDA在推动美国成为3D打印医疗领域领域应用方面发挥了巨大作用 现阶段全球生产的具有多孔结构表面的髋臼杯接近25%是采用3D打印技术制造的。意大利AdlerOrtho和Lima.Lto公司通过3D打印技术生产的带有小梁结构的髋臼杯己于2007年通过CE认证，美国Exactech公司生产的同类产品也在2010年上市。据不完全统计，截至2015年，就已经有超过30000名患者植入了3D打印的髋臼杯。 点击查看髋臼杯的机械加工、3D打印及植入过程 在国内相关领域开展工作较多的研究团体有：上海交通大学第九人民医院的戴尅戎院士、王成焘教授、王燎主治医师团队，复旦大学中山医院、上海十院蔡郑东教授团队，北京大学第三医院张克、刘忠军、蔡宏团队，北京清华长庚医院董家鸿团队，第四军医大学郭征、高国栋团队，西北有色金属研究院罗丽娟、余森、于振涛团队以及中科院沈阳金属研究所等。 3D打印在康复领域应用 上海交通大学第九人民医院在国内率先开展了3D打印医疗植入物的应用研究。早在1987年，他们就将CAD、CAM技术引入个性化假体领域，完成100多例人工关节置换，人工半骨盆置换，累计为96家医院提供了6000多植入物。王燎主治医师还与上海政法学院的汤啸天编审合作，提出了3D打印与医疗相结合的3项建议，即：(1)建立临床应用试点；(2)促进食品药品监督局(行政主管机关)、医院(研制方)与患者(使用方)签署三方备忘录，共担研究不确定性风险，共享科技创新收益；(3)开发特殊意外保险，为规避研发风险，共担收益提供了较好的参考建议。 3D打印医疗导板应用 复旦大学中山医院曾将3D打印技术应用于经导管主动脉瓣置换手术，为77岁高龄的主动脉瓣重度狭窄合并关闭不全患者实施手术规划及导航。此外上海十院蔡郑东教授团队已成功为近200多名病人成功进行半骨盆置换手术。 3D打印手术规划应用 北京大学第三医院张克等与北京爱康宜诚医疗器材股份有限公司合作生产的椎间融合器、人工椎体两个产品即将完成临床观察。此外，2014年8月他们打印并移植了首个3D枢椎；2015年9月首个3D打印人工髋关节假体也获批进入“量产”时代。北京清华长庚医院董家鸿利用3D打印模型实时引导重要管道分离和病灶切除，成功完成10例胆道癌症精准根治性切除。 3D打印口腔矫正、修复应用 除上海、北京外，第四军医大学在3D打印植入物方面也进行了积极的探索。2014年5月，西安铂力特与第四军医大学西京医院合作，为患者打印钛合金肩胛骨植入物、骼骨植入物、锁骨植入物；2018年，西京医院首次采用3D打印多孔生物陶瓷实现可降解人造骨修复高难度长段骨缺损，同时完成全球首例4D打印乳房重建手术。 4D打印乳房重建植入物 自2016年以来，第四军医大学唐都医院先后与西工大、西交大、铂力特、西北有色、上海九院等合作，完成钛合金胸骨置换21例，钛合金肋骨置换10例，治疗胡桃夹的血管外支架置百余例，另外实验仪器、手术器械以及手术导板、医学模型等打印共计500多例。 3D打印医疗植入应用 西北有色金属研究院罗丽娟等分别通过激光和电子束选区熔化技术制备出多种不同微孔结构和力学性能的多孔钛合金，并已成功制备出口腔修复用钛合金个性化牙冠植入体，对植入物的骨整合性能、生物安全性和体内长期稳定性开展了研究。中科院金属所与山东威高骨科材料有限公司合作，制备出具有骨小梁结构的多孔钛合金颈椎融合器和腰椎融合器，治愈颈椎和腰椎疾病已获取国家食品药品监督管理局医疗器械质量监督检验中心检验合格报告，相关的临床实验正在开展中。 END 本文所述的医疗应用团体无法覆盖国内所有，但从众多成果可以看出，3D打印在医疗植入领域发挥的作用越来越被医院和病患所能接受。通过定制化来满足病患个体的需求，快速制造来及时挽救生命，复杂制造实现了更好的治愈效果，这些都是3D打印为医疗带来的变革。当前，虽然通过国家认证的3D打印植入物数量仍然有限，但相关的标准和格则正在得到快速建立，3D打印将会给社会带来更多福音。 欢迎转发 延伸阅读： TOP：10种最具创新性的3D打印医疗植入体 医疗奇迹：3D打印如何改善我们的生活 3D打印在口腔种植领域的应用效果如何？ 动画揭示：髋臼杯的机械加工、3D打印及植入过程 长按复制 联系笔者：2396747576 工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738

在过去的几年中，医疗行业经历了3D打印应用的热潮，国外机构因此展示了世界范围内上最具创新性的3D打印植入物。从金属到非金属，从颅骨到髋关节，这些个性化的植入体满足了每个患者的特定需求。与使用传统方法相比，3D打印解决方案在设计、制造时间和相关成本方面都更为合适。本期，3D打印技术参考对这些创新应用逐一介绍。 ▌首款采用PEEK的3D打印锁骨植入物 2018年7月，昆明医科大学第一附属医院胸外科施云飞主任团队使用一迈高温3D打印机，实施了一例3D打印锁骨置换手术。由于该患者必须接受化疗，无法进行金属植入，医疗团队最终决定使用FDM 3D打印技术，并使用目前可用的最具抵抗力的塑料材料PEEK来制造植入物。手术后，医生发现患者的身体相比金属植入物能够更快的痊愈。该案例是世界上首次运用3D打印PEEK假体替换锁骨。 ▌3D打印一体式胸骨和肋骨植入体 2018年，英国一位患有胸部肿瘤的病人在接受手术时不得不被切除部分胸骨和三根肋骨。如果不植入假体，患者将无法生存。医院通过对患者胸部进行CT扫描设计了植入假体，并由雷尼绍承担制作任务。具有网格结构的钛合金不仅减轻了假体重量而且有利于创伤的快速愈合，良好的生物相容性也避免了严重的排异反应。该案例是首个在英国制造并植入患者体内的胸腔假体。 ▌为发育期儿童3D打印的下颌植入物 2018年4月，山东大学第二医院口腔颌面外科副主任来庆国为一名10岁儿童进行了3D打印钛合金“下颌骨”植入手术，经复查确认没有并发症，手术宣告成功。这是国际上首例低龄儿童下颌骨缺损3D修复重建手术。 该患者下颌骨植入体 据悉，该名儿童患有罕见的下颌骨肿瘤，伴随着肿瘤切除，下颌骨出现了大面积缺损。由于患者年龄小，无法使用自体骨移植，且患者处于快速生长期，植入体的设计特殊且复杂。医疗团队因此进行了详细的数据采集、测量及电脑设计，期间充分考虑儿童未来骨骼发育情况，最终完成钛合金“下颌骨”假体的3D打印。 ▌3D打印人工中耳听小骨，使失聪者恢复听力 2019年5月，被视为全南非最顶尖的耳鼻喉科医师齐夫拉罗和他的团队成功运用3D打印技术，为病人量身打造了结构完全一致的人工中耳听小骨，包括锤骨、砧骨、镫骨，并进行了移植手术。这项医疗创新成为全世界第一个为失聪者带来恢复听力希望的案例，3D打印医疗运用再创新纪录。 听小骨是人体中最小的骨头之一，图片显示的是真正的听骨而不是植入物 ▌3D打印重建上颌骨，拯救毁容 澳大利亚病人Anelia Myburgh由于罹患颌骨癌，最终被切除80%的上颌，仅留下两颗牙齿、部分嘴唇和鼻子的下半部分，患者虽得以治愈但因此毁容。2018年4月，Myburgh接受了世界首例3D打印上颌骨重建手术。医生通过定制的3D打印颌骨重建技术，采用钛合金框架承载移植骨，从而得以植入牙齿；并从患者手臂上取下一些皮肤用来制作嘴唇。患者最终恢复容貌，整个手术，仅花费3000澳币。 ▌钛合金多孔胸骨植入物 2019年5月，澳大利亚一位癌症患者在接受手术时不得不面临胸骨和部分周围组织的切除。这些操作近乎截肢，外科医生必须采用渐进的方式来取代患者的胸骨区域。悉尼皇家北岸医院的主治医生在了解到3D打印之后主动寻求采用新技术，最终采用电子束来制造了这枚钛合金胸骨植入物，并成功实施手术。它的主要特点在于形状特别复杂，需要完全的定制化。 ▌首款采用柔性聚酰胺的3D打印肋骨植入物 2018年，保加利亚一位病人同样因肿瘤面临一根肋骨的移除，须植入的肋骨需要与原始肋骨具有完全相同的尺寸。经专家会诊，医生决定采用3D打印技术来制作具有相同形状、曲线、宽度和厚度的肋骨植入物。 医疗团队首先对病患的原始肋骨进行了3D扫描和设计，并使用半刚性聚酰胺材料打印。之后，专业人员用环氧乙烷、伽玛辐射和高压灭菌器对其进行了消毒处理，并且在其表面钻上小孔以促进结缔组织快速增殖。最终的植入手术非常成功，患者恢复状况良好。该例是保加利亚完成的首例3D打印肋骨植入物手术。 ▌PEKK聚合物3D打印承重假体首次获FDA批准 2015年7月，美国Oxford Performance Materials（OPM）公司宣布，其3D打印的SpineFab VBR系统植入物获得FDA市场准入许可。这是有史以来第一个获得FDA批准植入的聚合物3D打印承重假体。此前脊柱植入物多采用钛合金，具有应力屏蔽效应，而PEKK具有类似骨骼的机械性能，并能够支持骨骼的生长。 ▌3D打印重塑大面积颅骨缺失 2017年，英国20岁患者Tiffany Cullern因脑部肿瘤接受手术，术后由于其他原因导致脑部肿大，并对颅骨产生了巨大压力。为了释放压力，医生切除了患者的一大块颅骨（12.7 cm），并最终寻求使用3D打印重建。实际上，患者等待植入物重建的过程长达三个月，这可能也与当时和当地的发展水平有关，在此期间，幸运的是患者创口并没有因此恶化。据悉，Tiffany植入的颅骨修复体由钛合金、高分子材料以及钙化物构成。 ▌第一个3D打印的植入物10年之后仍保持良好 与所有现代医疗保健创新一样，3D打印植入物的寿命目前并不可知。包括医生、材料科学家等在内的研究人员无法确定新型植入物是否会随着时间而发生变化。第一个3D打印的植入体要追溯到2007年，意大利外科医生Guido Grappiolo博士将3D打印的钛合金髋关节植入患者体内，在进行了10年的观察之后，这枚植入体仍然显示出良好的状态。 虽然传统的髋关节植入体必须每10-15年更换一次，但3D打印的植入物似乎具有更好的性能，佩戴者的并发症也更少，这就为患者免除了再一次接受手术的痛苦。 END 在笔者有限的认知看来，3D打印植入物涉及的材料从金属到非金属，种类很多，一些此前极少提到的钽、镁合金近些年也在得到临床实践；从性能方面看，3D打印能够制造出加快伤口愈合的结构，促进与人体本身的融合；从手术方面看，3D打印可以在术前就设计和制造完全适应患者本身的植入体，这大大节省了手术时间，从而提高了患者的治愈几率，并能够减少病人的痛苦。 本期上传内容： 《Materialise调研报告：中国制造业眼中的3D打印》 欢迎转发 延伸阅读： 医疗：PEEK相较金属植入物的优势与不足 医疗奇迹：3D打印如何改善我们的生活 动画揭示：髋臼杯的机械加工、3D打印及植入过程 3D打印医疗植入体的安全性、国内审批流程及存在的问题 长按复制 联系笔者：2396747576 工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738

3D打印技术在个性化骨科医疗植入物领域已有很多应用案例，如3D打印的颅骨、下颌骨、肩胛骨、胸骨、脊柱笼、髋臼杯、膝关节、截骨融合器等，均已在临床手术中获得了应用，部分产品也已实现了稳定的批量化生产。 由于骨科植入物直接与患者的生命健康息息相关，因此在手术植入之前必须完成大量的研发试验，包括原材料的选取和测试、结构形式的确定、动物试验的验证、临床手术的实施等等。经过多年实践，3D打印骨科医疗植入物在应用过程中积累了很多宝贵的经验。本期，我们对3D打印医疗植入体的安全性及国内审批流程和注意事项进行介绍。 ▌材料、设备、认证三位一体 材料是金属3D打印植入物的核心部分之一，使用第三方的粉末材料意味着需要承担更多的产品一致性风险，也需要重新梳理工艺流程。而用绑定原厂进口的粉末材料则会增加产品的成本。因此，医疗器械制造商需要在最开始时就要考虑材料成本和安全性的问题。 SLM制造的髋臼杯 设备也是实现产品稳定制造的重要因素，对于医疗产品的打印，应当一台设备专门用来生产一种材料，一机多用不仅无法保证安全更无法通过医疗认证。工艺品质的一致性也很重要，减少人机交互时间并确保高标准的系统安全性，使得许多医工所完成了众多高标准的定制化植入体制造。 Materialise公司创始人表示，医疗认证是一个复杂过程，它不仅是一台设备需要认证，而是整个制造流程都需要严格审查。这造成了医疗审批的困难，也限制了3D打印植入体的普及应用。接下来我们来了解国内是如何做的。 ▌国内3D打印医疗植入物审批流程 骨科医疗植入物属于三类医疗器械，国家食品药品监督管理局（NMPA）规定对其实行生产许可证和产品注册制度，此类产品需经过严格的临床试验过程和审批流程，取得产品注册证需要较长的周期，普遍长达3-5年。 金属打印的脊椎植入物 国家食品药品监督管理局的审批流程如下：在收到完整的申请资料后，开具受理通知书。之后于50个工作日内，做出是否给予批准的决定。对不予批准的应书面说明理由。申请者对NMPA的审批结论有异议的，可在收到审批结论后30日内提出复审申请。若有违反规定，办理医疗器械新产品申请时，提供虚假证明、文件资料、样品，或者采取其他欺骗手段取得医疗器械新产品证书的，NMPA将撤销其新产品证书，两年内不受理其新产品申请。 3D打印的陶瓷植入物 对骨科医疗植入物的要求包括材料的生物相容性和生物毒性、植入物与局部解剖组织的匹配程度、植入后与原组织所构建的生物力学环境等。考虑到上述因素，医用3D打印材料的种类就受到诸多限制。其中常用的金属植入物材料包括钛合金和钴铬钼合金。常用于SLS技术的生物高分子材料有４种：左旋聚乳酸、聚己内酯、聚醚醚酮（PEEK）以及聚乙烯醇（PVA）。生物活性陶瓷材料则包括羟基磷灰石（HAP）和β-磷酸三钙（β-TCP）等。 ▌国内3D打印医疗植入物审批过程存在的问题 按照现行的医疗器械审批制度对3D打印产品进行审核，目前还有两个突出的问题亟待解决。既有3D打印技术本身需要解决的问题，也有管理制度创新的问题。就3D打印技术本身而言，用该技术生产出的关节假体、脊柱固定系统等，目前较多考虑的是其静力学性能，对于其磨损性能、疲劳性能则关注较少，需要进一步的验证。此外，目前关于3D打印产品的研究主要集中在前期结构设计方面，较少关注产品成形过程中组织结构的变化。如何将3D打印技术结构设计与成形过程中的组织研究结合起来，客观评价产品的安全性能是未来研究的重点。 3D打印的椎间植入物 从行业监管的角度来看，目前这套审批制度是根据批量产品的生产特点设计的，但个性化骨科医疗植入物不可能针对每个个体进行临床试验，关于这方面的法规指导缺失，导致医生、企业家、工程师无所适从。建议监督的重点从临床试验往前推移，深入到产品生产的流程中，从选用的打印材料是否符合安全性，生物相容性标准、打印成型产品是否有效（与预期的相应功能重建、替代、补偿的实现程度）、植入人体后是否可靠（有效性在多长时间内能稳定发挥作用）等方面进行更加全面、细致、深入的考察，从管理制度上加以创新，从而解决3D打印骨科医疗植入物的监管难题。 END 目前，FDA已批准的3D打印骨科植入物达百余个，其中不乏国内产品。同时国内的研发应用也取得了很多成果，在材料选择、认证流程制定、配合主管部门审查等方面积累了很多经验。国内定制式医疗器械的法规标准同样进步很快，3D打印植入性器械的技术工艺已被纳入监管范围，相关的收费标准也不断在得到明确。 欢迎转发 延伸阅读： 医疗奇迹：3D打印如何改善我们的生活 3D打印如何辅助医生手术，如何宽慰患者 医学3D打印的主要类别及其改变该行业的方式 国内对3D打印医疗器械的生产、应用有哪些严格要求和限制 长按复制 联系笔者：2396747576 工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738

组织工程，是以细胞生物学和材料科学相结合，在体外或体内构建组织或器官的技术，按照3D打印圈儿里的话，就叫做生物打印。然而组织工程的良好设想是能够以生物支架为基础，采用生物活性成分（如细胞等）立体的长成为组织或器官，而一直以来3D打印给我们的认识却是层层叠加最终成型，这是完全不同的两种形式。 体外培养的人体耳廓组织 如果传统上提到的3D打印还只是二维打印的纵向叠加，那轴向光刻则能称得上是真正的三维成型。这项今年上半年才被外界认知的新型3D打印技术，采用多激光和计算机轴向光刻从不同角度同时曝光，使材料能够从模型的“内核”逐渐向外部固化，实现了真正的立体打印。而将这项技术用于组织工程，则会带来飞跃。 轴向光刻体积打印 ▌体积打印—快速制造生物组织 近日，来自瑞士和荷兰的研究团队采用该技术原理，使用仅仅几秒钟时间就在含有干细胞的生物水凝胶内“雕刻”出了复杂的组织形状，并通过添加内皮细胞实现了组织血管化。该团队在《Advanced Materials》刊发的文章中提到，这项技术将改变细胞工程专家的工作方式，使他们能够创造出一种新的个性化、功能性的生物器官。 生物组织体积打印 体积3D打印的可以理解为无数个微小DLP工艺的微积分，但由于在整个过程中光都是穿越材料内部在特定位置成型，因此该过程又类似激光玻璃内雕。技术的关键在于体积打印的分辨率及能量分布，投影图像在构建体积中心的有效像素和位于保持分辨率的光学聚焦深度共同决定了成型的位置和形状。 生物体积打印技术原理 在成型过程中，光源会将水凝胶圆柱形容器包裹在内，能量沉积其中，在容器不断旋转过程中光源同步照射的二维断层图像选择性的区域固化，最终实现整个组织的成型。该过程的关键还在于需要非常仔细地确定在光场内对水凝胶进行固化的最小曝光时间。 ▌生物体积打印的技术特点 值得注意的是，与传统的3D打印形式相比，体积打印的时间消耗似乎并不会受到构件尺寸的显著影响。为了量化和比较打印时间，研究人员将一个解剖人体耳廓模型分别缩放三次（0.15cm3，1.23cm3，4.14cm3），三个模型的打印时间均可以限制在22.7s，这远远高于DLP甚至CLIP技术的打印速度。至于缩放后的打印时间控制，仅需要调节激光的输出强度。 除了速度快的优势，体积打印还不会出现传统3D打印的层叠纹或者伪影，而且还无需用到支撑，研究人员证明了自由浮动部件打印的可能性。此功能对于生成能够可逆修改的形状至关重要，例如4D打印的刺激反应材料结构。 ▌创建人体组织、器官   与传统的生物3D打印相比，生物体积打印可以在几秒时间内构建复杂的厘米级结构，这在很大程度上保持了细胞活性，对于满足临床需求具有重要意义。基于该技术已经开发出了心脏瓣膜、半月板移植体以及内含血管的骨组织。此外，它还可以创建生物互锁结构。 体积生物打印的空心小鼠肺动脉 人类组织的特性在很大程度上取决于高度复杂的细胞外结构，基于该技术可能会带来许多真正的临床应用，实验室也可以前所未有的速度大量创建人造组织或器官。在体外测试新药时，生物组织打印也至关重要，它可以替代对动物测试的需求，这从安全和降低成本的角度可能更有意义。 END 包括立体光刻和挤出成型在内的生物打印技术正在革新组织工程技术的模式，它们都致力于创建功能性的组织结构，而新技术则为扩大水凝胶基结构的生产及其在组织工程、再生医学和软机器人中的应用开辟了新途径。也期待未来能够采用该技术成功创建出可供人体移植的功能性心脏、肾脏等器官。 研究论文及更加详细的论述已上传QQ群。 欢迎转发 延伸阅读： 3D生物打印的革命：会跳动的心脏，会呼吸的肺和会生长的骨 中国科学家如何采用干细胞实现血管3D打印 医疗奇迹：3D打印如何改善我们的生活 医学3D打印的主要类别及其改变该行业的方式 长按复制 联系笔者：2396747576 工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738