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30张PPT告诉你3D打印在医疗行业的应用和发展趋势

时间:2016-04-09 22:15 来源:3D科学谷 作者:中国3D打印网 阅读:

      随着3D打印技术的发展和精准化、个性化医疗需求的增长,3D打印技术在医疗行业应用的广度和深度方面都得到了显著发展,同时成为医疗行业关注的热点话题。通过30张PPT与参会的医疗器械厂商和医生朋友分享了3D打印在医疗行业中的应用和发展趋势。今天,将这些PPT 分享给网友们。

理解3D打印的价值

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     3D打印技术与传统技术相比,最大的优势在于对产品的复杂性不敏感。从图表中可以看出两个信息,首先是绿色曲线代表的传统制造技术,其制造成本将随着产品复杂性的增加而急剧增加,而蓝色直线所代表的3D打印技术,其制造成本几乎是不变的。另一点是两种技术之间有一个复杂性平衡点,当产品复杂性在平衡点的左边时,也就是在制造一些复杂性小的标准产品时,使用传统制造技术的成本低于3D打印技术,而当产品复杂性在平衡点的右边时,也就是在制造一些复杂性高的自由造型产品的时候,3D打印技术的成本明显低于传统制造技术。

可以利用3D打印技术探索一些突破固有设计思维的产品。

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    提到3D打印的效益,人们最直接关注的往往是节约材料、缩短交期等生产效益。但是3D打印所带来的综合效益容易被忽视。比如,3D打印骨科植入物的综合效益是制造出表面的多孔结构,并且有效控制孔隙率和孔径,这样的结构有利于骨长入,让病人得到更好的康复。

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    个性化定制的价值体现在制造和应用两个方面。在制造方面,如果通过模具制造产品,制造的产品量越多,单件产品均摊的模具制造成本越低,简单说就是量越大单件产品的价格越低。而3D打印技术是一种不需要模具的制造技术,在制造单件或少量产品的时候更具有优势。

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   左边的ACL 手术定位器,它的槽型是根据人体结构设计优化的,和解剖结构一样的充满复杂曲线;右边图片中的这个脊柱植入物,经过拓扑优化结构也很复杂并且表面充满多孔结构。以上两类复杂的产品只适合使用3D打印技术进行制造。

    这是意大利的一家公司设计的脊柱笼产品,包括螺杆和齿轮等几个部分,设计师将它设计成为一个整体的零件,并通过Concept Laser公司的SLM 技术一次性3D打印出来,避免了使用传统技术时需要拆分制造,然后再装配组装的过程,并且有助于力高产品的精度和性能。

主要应用

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主要应用案例

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最早的时候只有骨科在应用,而现在越来越多的学科都在借助医疗模型进行复杂手术的预规划。医疗模型它的意义是非常形象的将病情呈现给医生,方便做手术规划以及与患者沟通。除此之外,这些三维数据和手术规划方案也可以作为解决医疗纠纷时所需要追溯的依据。

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骨科临床医生对不同材料的3D打印导板进行了实验和比较,各有优势。

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假肢和仿生手是康复器械的一个种类,通过3D打印的一个明显的优势是降低制造成本,降低佩戴者的经济负担。通过3D打印技术来接受个性化定制,添加一些喜欢的元素,这些能让佩戴者情感融入进来,有助于克服心理障碍。

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3D打印的植入物可以分为标准品和定制化的植入物,也可以分为不可降解的植入物和可降解的植入物。左图中的植入物是Arcam 公司EBM 技术3D打印的标准化的髋臼杯植入物,左边第二个是西安铂力特根据医生要求定制的胸骨植入物,使用的材料都是钛合金,在植入体内之后就留在体内了。右图中,Lithoz 3D打印的生物陶瓷植入物和最右边的钙磷粉材料的植入物,将在植入体内之后促进骨骼的生长,并逐渐在体内降解。

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3D打印技术在个性化剂量的药物、改变药物释放曲线等方面具有优势。3D打印药品的技术通过层层铺粉,并让药粉粘合剂沉积到指定的区域,所以可以更好的控制药物的结构。这里分享的例子是首个上市的3D打印药品,用于治疗癫痫症。它可以速溶于少量的水,迅速释放出高剂量的药物。

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生物3D打印的理想目标是打印出可移植的复杂人体器官。目前科学家们正在向这个目标努力。其中包括,比较接近临床应用的是通过软骨细胞3D打印的耳朵软骨;实验阶段的3D打印血管;用于科研的生物脑组织,还有用于药物测试的人工组织或器官等。

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在制造金属植入物以外的其他医疗设备的过程中,3D打印主要作用是进行新产品快速原型,从而快速验证设计,以及快速制造注塑模具,然后通过模具制造出产品。

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3D打印在口腔科的应用种类比较多,从牙科模型到手术导板,从种植牙、牙冠到矫正器等应用中都有3D打印技术的用武之地。以3D打印种植牙为例,金属的牙冠可以通过SLM 金属3D打印技术实现批量定制化的生产,在一次打印中可打印多组不同的牙冠,然后进行烤瓷等后处理,即可交付给客户使用。随着材料技术的发展,目前已经可以出现可制造永久牙冠的特殊光敏树脂材料,通过DLP 或SLA 技术可直接打印出牙冠。

3D科学谷认为,3D打印技术带给牙科行业的意义在于可以实现批量定制化生产,以及融入到数字化口腔技术中来,为口腔行业带来精准、高效的解决方案。

发展趋势

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3D打印在医疗行业中的最初是用来制造医疗模型和植入物不具有生命的医疗器械,随着技术的发展,3D打印技术与生命科学的结合成为必然的趋势,从打印简单的人体组织直到打印出复杂的人体器官。纳米级的3D打印技术也将应用在医疗行业。

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Nanoscribe的双光子聚合3D打印技术用于打印纳米级的三维支架,在进行三维器官培养的时,这些极为精密的支架作用是控制细胞的形状。打印复杂的骨小梁结构也是该技术的一个应用方向。

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未来,不仅仅是牙科产品,越来越多的定制化的医疗产品会放弃手工制作方式,拥抱数字化技术。例如足踝矫正器,在使用数字化技术之后,交期由2-4周最短可以减少到1天。同时由于数字化建模技术、仿真技术和3D打印的界入,产品将更加舒适、安全。

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从最上方的张矫正鞋垫供应链图中,我们可以看到用传统的制造方式,由于需要依赖手工制造,所以不仅制造的流程繁琐,而且佩戴者需要多次前往医院进行调整试戴,整个供应链很长。但是在结合了数字化技术和3D打印之后,供应链的明显的缩短了。例如,美国iMCustom公司推出的矫正鞋垫定制商业模式,用户可以通过放在商店中的足底扫描仪将数据提交给iMCustom, 这些数据将通过软件进行建模,然后发回给商店中的3D打印机3D打印机使用柔性线材进行矫正鞋垫的3D打印,理想情况下用户当天可以拿到鞋垫。

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在增材制造技术的标准化工作中,3D打印的材料、工艺、设备都将逐渐规范,这对3D打印医疗器械,尤其是植入物的性能和安全性是一个保障。

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相比传统制造技术3D打印在生产小批量产品时才具有成本优势,但是随着材料成本的下降和打印技术的提升,3D打印将在生产更大批量产品的时候保持这种优势。

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新材料的出现将为医疗行业带来更多的3D打印解决方案,颠覆人们对产品的设计和开发能力。

产业化方向

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3D打印设备、材料、软件等在医疗行业的市场规模如下:

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隐形矫正器是典型的数字化口腔技术应用,设计师通过软件模拟每个矫正阶段牙齿的形态,并生成一些列的牙齿三维模型。在制造隐形矫正器时,首先通过3D打印机打印出和牙科模型,然后通过热塑成形制造出全套矫正器。患者通过定期更换佩戴不同的矫正器达到牙齿矫正的目的。从市场潜力方面来看,一方面整个牙科设备、产品和服务的市场总规模在2020年将达到4000亿元。隐形矫正器的使用比例目前中国只有2%,而欧美国家是25%左右,这个应用存在增长潜力。

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助听器外壳的生产已实现数字化和3D打印批量定制化生产。助听器的生产被瑞达声、西门子等少数大品牌所垄断。但是由于人口老龄化、后天性失聪等因素,全球助听器的消耗量增加,预计到2018年市场规模达113亿美元。该行业对3D打印机和打印材料的需求也将随之增长。

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国内首先通过CFDA 批准进入市场的是3D打印髋臼杯,这是一种标准植入物。其优势在于通过3D打印才能够制造出来的表面多孔结构,该结构有利于骨长入。相比通过涂层来实现的多孔结构,3D打印技术可以控制孔隙率和孔径,并且不会像涂层一样有脱落的风险。

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进入到3D打印骨科植入物领域的制造商,在骨科产品领域经营多年,不论是产品的研发能力,还是申请食品药品监督部门的审批,他们的经验都非常丰富。

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生物3D打印目前已经出现的商业化价值在于药物研发领域。目前制药行业开发一新药品的平均研发成本高达12亿美元,平均周期长达12年。随着新药品复杂程度的增加,研发成本和研发周期还会增加。制药行业需要高效的药物筛选解决方案来降低研发成本、加速研发周期以及降低药物研发的风险。而生物3D打印的人体组织相比二维细胞学实验更加接近人体真实情况,所以在用于药物筛选的时候能够提高筛选效率、提供更可靠的药物测试结果,在药物研发领域有应用前景。

(责任编辑:中国3D打印网)

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