快速成型在生物医学领域的应用

快速成型在生物医学领域的应用RapidPrototypingforBiomedicalApplications学生：学号：LOM薄型材料选择性切割SLS粉末材料选择性烧结SLA液态光敏聚合物选择固化FDM丝状材料选择性熔覆成型数字光加工喷射多层喷墨建模制作ThereareseveralRPtechnologiesinmedicine,whichcanbedividedinsubtractiveandadditiveones.方法分类方法分类ComparisonofdifferentRPtechnologiesRPtechniqueAdvantageDisadvantage(CNCmilling)LasersinteringStereolithographyInkjetprinting3DprintingFDM/FDC3DplottingBroadrangeofbulkmaterialsExcellentmechanicalstrengthHighaccuracyGoodmechanicalstrengthBroadrangeofbulkmaterialsGoodmechanicalstrengthExcellentaccuracyNoinherenttoxiccomponentsFastprocessingLowcostsLowcostsBroadrangeofmaterialsBroadrangeofconditionsIncorporationofcells,proteinsandfillersNocomplexinternalstructureElevatedtemperaturesUncontrolledporosityLimitedtoreactiveresins(mostlytoxic)SlowprocessMateriallimitedtolowmeltingpointwaxWeakbondingbetweenpowderparticlesBadaccuracyElevatedtemperaturesSmallrangeofbulkmaterialsMediumaccuracySlowprocessingLowaccuracyNostandardconditionTherearevarietiesofmaterialswhichcanbeusedformedicalapplicationsofRP.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参考文献:4thInternationalConferenceonMaterialsProcessingandCharacterizationModernTrendsinRapidPrototypingforBiomedicalApplicationsDeepenBanoriya,RajeshPurohit*andR.K.Dwivedi材料分类1990年，快速成型技术开始应用于医学领域，在医学界被用来制作诊断模型和进行手术模拟。近年来，快速成型技术在成型材料和成型工艺上发展很快，制作完成的器件不仅是供参考和研究的模型，更可以是直接应用的功能组件，以恢复患者正常的生理功能。（1）物理模型的复制（2）疾病的诊断及辅助、模拟手术（3）个体化假体制作（4）生物支架和器官打印（5）整形外科（6）组织工程应用分类应用实例A快速成型技术在口腔修复体制作中的应用[1]1蜡型的快速成型制作活动和固定修复体都需要进行蜡型的制作。吴琳等[2]应用CAD和激光固化快速成型技术制作出了活动义齿支架的树脂模型。Williams等[3]运用激光固化快速成型技术制作树脂模型后再进行铸造，最终形成金属基托铸件。目标病例数据CT图像三维数据图像的重建制造缺损的蜡模2口腔金属修复体的直接快速成型目前，有学者采用快速成型技术与激光烧结相结合，直接对各种金属粉末进行成型和烧结，制作出了口腔金属修复体。Williams等利用激光烧结快速成型技术对金属粉末直接进行成型，成功制作了局部可摘义齿的金属基托。吴江等在激光快速成型系统上，对钛粉直接成型烧结，制造了全口义齿钛基托。（1）物理模型的复制实际应用3陶瓷修复体的快速成型Lewis等[4]运用微滴喷射成型法对氧化锆陶瓷粉快速成型，制作出了陶瓷工件，并对其结构和性能进行了初步的研究。Yin等[5]采用快速成型方法完成陶瓷试件的成型，然后烧结出成品，并对其微观结构和强度进行测试，得到了满意的研究结果。如图为生物陶瓷修复假体参考文献：[1]钱超快速成型技术在口腔修复中的应用（上海交通大学医学院附属第九人民医院口腔修复科；上海市口腔医学重点实验室上海200011）国际口腔医学杂志第39卷3期2012年5月[2]吴琳,吕培军,王勇,等.可摘局部义齿支架铸型的计算机辅助设计与制作[J].中华口腔医学杂志,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应用实例应用快速成型技术重建人工颅骨将快速成型机制造完成的颅骨缺损模型实体翻制成石膏阴模,然后在石膏阴模腔中填入生物活性人工骨材料,待材料固化、脱模、修整后即可制得患者骨修补治疗所需要的人工颅骨。图1、图2和图3分别对应LOM法、SLA法和SLS法制造的颅骨缺损部位的实体模型。LOM法制作的纸质实体模型SLA法制作的光固化树脂实体模型SLS法制作的工程塑料实体模型参考文献：陈德敏,刘义荣,刘俊.上海交通大学医学院附属第九人民医院生物材料中心,上海市口腔医学重点实验室,上海200011;2.上海倍尔康生物医学科技有限公司,上海201203)LOM法制成的模型表面精度较高，适合做大件和实体件。但是制作过程中需要人员看护,最终完成的蚀刻模型需人工剥离,成形件表面粗糙，强度差，,不易长期保存。SLA法加工的产品有较高的精度和强度,适合做小件和精细件,成形件适宜携带和保存，但是成本高,使用的光固化树脂价格昂贵。SLS法选材广泛,可烧结蜡粉、聚碳酸酯、工程塑料、陶瓷、金属粉末等,材料利用率高,成本低,造型速度较快，但强度和精度不是很高。综合上述三种制作工艺,就性价比而言,我们认为SLS法比较适合颅骨缺损的重建和制造。应用实例（2）疾病的诊断及辅助、模拟手术广州军区广州总医院骨科医院髋臼骨折是创伤骨科的难题之一，因为髋臼具有位置较深、形状不规则、且毗邻重要神经血管等解剖特点，同时手术治疗时需尽可能解剖复位以免术后创伤性关节炎的发生，这就需要在术前进行详细的手术计划。使用计算机辅助技术及快速成型技术术前规划髋臼骨折手术方案计算机辅助CT三维重建技术能清晰地显示骨盆骨折的部位、程度及骨折移位情况，快速成型技术可以使复杂髋臼骨折的三维重建图像以与真骨盆1∶1等大的实体模型形式呈现在医师眼前，使临床医师可以更好的观察骨折及碎骨片情况，进而可以模拟骨折块的复位，以及钢板内固定、螺钉植入等操作。通过术前模拟操作预选内固定材料长度，选择恰当的固定位置及植入方向，有助于提高术者制定手术方案的准确性，节约手术时间，减少术中出血量。而且快速成型制成的骨盆模型还可以消毒后在手术台上为术者提供参考参考文献：李宝丰，章莹，邰国良，代元元，谢会斌，郭晓泽，朱昌荣，王非3D数字骨科技术在髋臼骨折治疗中的应用广州军区广州总医院骨科医院JSouthMedUniv,2016,36(7):1014-1017应用实例应用实例A（3）个体化假体制作2013年惠灵顿维多利亚大学毕业生JakeEvill采用3D打印技术设计出了骨折外固定支具CortexCast(图1)，2014年土耳其设计师丹尼斯·卡拉萨欣同样采用3D打印技术设计出多孔结构的骨折外固定支具OsteoidCast(图2)取代通常的石膏或高分子材料固定支具，在保证稳定性的同时更加轻便、通风、耐水洗，而且比传统的外固定支具更舒适美观。（4）生物支架生物支架通过数字化设计、3D打印成型，可以按需设定特定的支架孔隙大小及交联，为细胞黏附、增殖、分化提供场所，逐步形成新的与自身功能相一致的组织，达到创伤修复的目的。在创伤骨科缺损修复中通常会用到生物支架，如人工骨的组织工程支架。孙梁和熊卓应用3D打印技术制作的聚乳酸－聚羟乙酸/磷酸三钙生物支架修复了兔长达15mm的桡骨缺损，且生物支架降解速度与成骨速度匹配完好。应用实例器官打印基于细胞的生物打印，由于人体的皮肤相较于其他器官细胞结构简单，成活率较高，如今很多基础及临床研究机构研发出的各种皮肤打印技术，生物试验效果良好。如美国维克森林大学开发的皮肤激光扫描打印技术，首先使用激光扫描仪扫描患者患处并生成填充程序，后由3D打印机通过生成的填充程序在患处填充皮肤细胞覆盖伤口达到治疗目的。荷兰莱顿大学提出了SkinPrint(皮肤打印)概念，取一小块患者健康皮肤用于诱导制备多能干细胞，将制备好的多能干细胞作为3D打印墨水修复损伤皮肤，可最大限度避免自身免疫反应的发生。东京大学医学系附属医院高户毅教授率领的研究小组，以富士胶片公司基于基因工程学研发的重组人胶原蛋白肽为主要材料，向其中混入从患者体内提取的干细胞和促进细胞增殖的生长因子等，然后通过改良的医用3D打印机制备出皮肤用于创伤皮肤的修复。3D打印机制备出的人体