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3D打印康复辅具优势明显,仍存问题亟待解决

发表于:2019-03-05作者: 尹云肖
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  摘要:3D打印又被称作增材制造(AM),是根据设计的立体模型,通过3D打印设备逐层的增加材料,最终得到所需3D实体的工艺过程。由于3D打印具备个性化定制的特点,所以在医疗行业的应用极为广泛,譬如利用3D打印技术可以打印出不同的人体生物器官、患者的手术模型和适配的康复辅助器具等。本文重点介绍3D打印技术制作康复辅具的优势和目前存在的问题。

  康复辅具市场一直都是3D打印技术的重点应用领域。近年来,3D打印技术逐渐在矫形器、假肢和助听器等康复辅具上得到了广泛应用。因为需要康复的对象身体情况存在差异性,所以医疗辅具市场的定制化需求较为明显。而3D打印技术不仅可以解决这种定制化需求,还能大大的降低康复辅具的制作成本,为老年和残障人士带来了新的希望。

  3D打印在辅具制作上优势明显

  3D打印技术与传统制造辅具相比,3D打印可以省去模具制造的时间成本,提高研发速度,降低研发失败的成本。3D打印技术可以根据计算机的图形数据,增材制造出各种形状的辅具产品,能提高材料的利用率,在较短的时间内制造出结构更为复杂的辅具产品。

  传统制造康复辅具的制作流程较为复杂,首先企业要根据患者的大体情况分类来进行不同型号产品的设计。然后模具制造厂根据设计开发图纸,进行模具制造。由于模具制造的费用较高,厂家一般都会设定基本的型号,来控制成本。模具制造完成后,还需要为模具设计开发出合适的工装夹具。完成模具和夹具开发后,企业才会进行大批量的注塑。得到的产品尺寸少,型号有限,难以与患者的身体结构精准匹配。整个制作过程生产量大、流程复杂、周期长、型号规格较少。

  然而运用3D打印技术制作医用康复辅具的流程就较为简单,首先要取得患者的骨骼、皮肤或体型等相关数据图像,三维重建后进行设计,然后将设计好的数据模型导入“打印机”(预备好相关的制作材料),打印后再进行简单的处理加工就能得到定制式的康复辅具。整个制作过程方便、简单、快捷,而且具备精准化、个性化特点,不仅缩短了时间成本而且提高产品与患者身体结构的匹配度。

图1 3D打印技术与传统制作辅具的生产过程

(资料来源:中国知网)

  3D 打印技术在辅具制作上的应用

  3D 打印技术适用于个性化定制需求,提供的产品基本上都是定制的。3D 打印技术在辅具制作上的引入,大大降低了定制的成本。目前3D打印应用于以下两个方面:一是无须留在体内的医疗器械,包括医疗模型、假肢、助听器、诊疗器械、各种辅助器具、手术导板等; 二是个性化永久性人体植入物,使用相关打印材料如钛合金、生物陶瓷等通过设备打印出人体所用的牙齿、骨骼和关节等。

  目前,3D打印技术在辅具制作中有两种应用方式,一是用激光扫描设备对人体特定部位扫描采集数据,经专业人士对数据进行处理形成三维模型数据,此数据经过数控人员的操作编出数控加工程序,将程序输入到数控加工设备中,加工设备根据电脑程序加工出与数据模型一模一样的产品,最后再进行修整。二是利用磁共振技术和CT扫描采集完整的骨骼数据,然后在计算机上构建出残疾人骨骼的3D图像,通过3D打印设备打印出完整的与残疾人相同的材料模型。根据模型残缺的情况,设计制造出假体模拟安装和修整,模拟安装完成后,再使用相关材料打印出真正的植入假体。

  3D打印技术在辅具制作上需要解决的问题

  现在市面上的3D 打印机是将塑料加热,然后通过喷嘴喷出设计模型。这一过程会产生有害的废气和毒气影响人体及环境。

  其次,由于康复辅具是患者长期佩戴的,所以就要求生产出来的辅具尽可能轻便。原材料要求耐湿、轻便柔软等属性,以保证患者的佩戴舒适。同时材料应具有良好的生物性能和足够的力学强度,所以要求材料必须能够液化、丝化、粉末化,经打印后可以重新结合。对于金属粉末而言,材料的粒度分布、流动性、氧含量、松装密度等性能的要求会更高。目前,金属粉末原料包括高温合金和钛合金,这种高规格的原材料只能依靠进口解决,周期长、价格高。

  除了机器和材料上需要解决的问题外,3D打印行业标准的欠缺是国内外共同面临的问题。3D打印所需要的材料与传统不同,所以现有的行业标准并不适用,需要研究并制定相应的行业标准。另外,传统的监管模式能否适应这种高效的3D打印技术,也是需要进行验证的。

  我国在3D打印辅具上的研发成效显著

  我国在假肢制作方面已具备基本的3D打印技术和研究实力,以假肢为例,北京假肢研究所已经开发出适合我国人体体型的接受腔CAM/CAD 系统;清华大学、中科院合肥智能机械研究所、中科院成都分院等单位均有三维测力台产品。

  值得一提的是清华大学研发团队还推出了“M-RPMS 型多功能快速原型制造系统”,该系统是世界上唯一拥有两种快速成型工艺的系统,并且拥有自主知识产权。之后又改进了产品化工作,这是在世界上首先完成无木模铸型制造工艺的技术。

  总结

  3D打印作为先进制造领域的代表性技术,在康复辅具制作上具有明显优势,但目前应用程度尚浅,仍然存在诸多问题有待解决。3D 打印技术对于康复辅助器具的创新发展以及推广应用都有重大推动,随着科学的进步,研究人员对3D打印的不断探索,3D打印技术在辅具的应用上必将有一个革命性的突破。

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