上海交大附属九院姜闻博：3D打印个性化定制医疗器械的研发和风险管理

姜闻博：上海交大附属九院3D打印中心副主任。主题：3D打印个性化定制医疗器械的研发和风险管理

    姜闻博：今天报告的题目是3D打印个性化医疗企业的研发和风险的探索，刚才郝永强作了一个临床案例的分析，我们的工作是帮助他们进行临床方案的设计和制造。
    3D打印是一个加工的技术，无论是铸造也好的锻造也好，加工也好，对人类文明产生了很大的推动。3D打印造成增材制造，历史很短。很多人关注因为现在供大于求的，人类对产品的个性化和小量的需求越来越明显。我们希望有一种加工方式实现定制产品的人性加工的制造。
    2的世纪的发展也强调的个性化，3D打印为什么能够在临床医学上得到重视？
    一、它是一个分层制造自方式，可以制造任何的复杂的形状。 二是逐点成型，可以实现多种结构的制造。三是数字模型直接驱动的，无模制作。临床是需要个性化的小批量的。
    医疗器械市场的规模，美国不到四亿的人口1580亿美元，中国是170亿美元，所以说中国的市场前景是非常看好的。但是中国的公司很多的医疗器械出于低端的，我们中国的医疗产业界能借助新的技术，开发一些自主知识产权的，将它的技术达到国际的领先的水平，实现医疗器械领域的弯道超出。
    我们九院从上世纪八十年代开始研究的个性化的骨盆、髋关节、膝关节、肩关节等等，实现了产业化。因为很多的医疗器械，比如说骨盆，我们如何来研究个性化医疗器械的过程。
    骨盆在整个被切除之后，我们要来重建，使它能够恢复髋关节的中心，得到重建。（图示）这个是我们需要的位置大小的不同，设计不同的形态骨盆的吸收的假体。
    （图示）这个病人八年之后带了一个6岁的儿子。
    第二代假体是数控加工的方式，一些标准化的固件实现生产好，这样的话可以减少的加工的周期，因为那时候还没有技术打印的技术，预先定制，采用组装件的形式，现在是第二代的假体也做了很多临床的病例，也是2000年之后做的，到2016年之后我们开发第三代的个性化的假体，采用的是金属的技术，虽然我们做了20多年个性化骨盆的应用，但是发现非常的分析。3D金属打印出来之后就想到是否可以升级我们的产品，可以支配多功能一体化的支配。我们每一个个性化的设计都有九院的模式，因为这个东西是无法模仿的，只有九院自己探访，我们针对每一个病患都要来设计，设计的方案都要经过手术医生、设计小组一起来确认，每一个病人都有一个档案。首先是外形的设计，你向医生来讨论，肿瘤缺损的范围，如何来做手术，如何来结果，根据缺损的大小来设计假体，当然这个假体不是一个完全的重建。骨科强调功能性的重建，并没有说一定要对称。还有固定的方式，如何与周围的骨头进行结合。
    多孔结构，它可以有表面涂层的工艺，我们刚刚也尝试这样的设计，发现很多的问题，我们的优化方案根据临床的需要设计多重的结构，这也是一个非君制的建造，把这个形态、部位都可以设计。
    （图示）每过一段时间我们会对材料的化学成份进行一些测试。
    （图示）这是一个周期检，对打印假体，每过一个周期对它的内部的结构，通过CT来做一个评判，看是否有缺陷。
    （图示）这是一个康复的鞋垫，我自己做大概有一百多双，解决了很多病人足体痛的问题。
    3D打印给很多的科室带来的进步，包括骨科，导板植入，口腔科、整形外科、康复科都也设计。
    如何做风险管理，这是我们自己的探索。
    一是临床实验的风险的管理，有一个临床专家委员会，你这个病例它是否适合做个性化的定制？
    二是设计的风险，你做设计的时候，这个个性化的设计是否合理，你的加工方式是否可以实现，可制造性，有时候制造出来的东西想法很多，但是不一定做得出来，或者说做得出来不一定复杂。第一个假体设计成熟的时候，后面可以减少流程，但是第一个必须要有设计小组专家委员会来帮你做评估。然后是过程风险的管理，关键工艺进行分析和控制等等。
    我们个人认为最大的危害或者说最大的个性化实现的瓶颈也好，关键的因素也好，关键在于临床的医生，这个手术做的比较少，你的风险不足够，你的设计方案都是不合理的，你靠工程师来实现你的设计和制造的话，显然会有一个差距的。临床医生的风险点会有一个很大的风险点来进行控制的。
    谢谢大家！

    主持人：谢谢姜闻博博士，接下来有请张冬云：北京工业大学教授。主题：SLM在医疗领域应用研究成果。

    张冬云：感谢主办方的邀请让我在这里来有机会跟大家分享我们的研究，北京工业大学3D打印中心是北京市支持的中心，把我们在3D打印方面的应用在医疗和共同技术领域，我今天来分享我们做的一些研究。
    我们的视角跟纯医疗的视角未必是很切合的，但是我们拿出来与大家共享和探讨。报告包括了四个部分，首先讲一下激光学内容能够做什么，第二部分讲我们在模拟方面做的工作和调控方面做的工作。第三部分讲一下我们做的一些工作。第四部分是我们在临床的一些应用。
    首先激光选驱熔化根据数字的模型来制造它的形状，调控它的性能，我们把数字设计的概念融入到进去，可以用特殊的方法，特殊的机械零件的设计的方法来进行设计，根据某种零件或者说某种关节或者说部位要有一个特殊的功能，要进行模拟进行数字化的设计，我在这里面设计就包括了这两种，把数字设计和模型结合起来，让它具有特殊的功能，为我们的医疗、工程来服务。
    3D打印或者说激光选驱熔化是数字化的制造的过程，这个制造的过程非常的快，我们要求加工过程尽量短的时间，所以说它的熔值存在的时间非常的短。这个过程不可再现的用其他的手段，用模拟的手段来再现熔池的温度场和流场（音译）来控制它的整个过程和性能，让它们满足我们医疗方面应用性能的要求，以及共同进步上性能的要求。这是我们所做的一个工科的人在医学上做的研究。我现在讲的几个方面是我们北京工业大学3D医疗打印中心工作的一部分。
    激光选驱熔化有一个数字的加工，把激光束数字化和熔池数字化，来再现激光选驱熔化过程中发现的物理、化学、冶金的现象。
    （图示）这是我们做的温度场，温度场和流场的结合，熔池存在的时候，这个热流都是沿着等值线垂直的方向，而且具有不同的速度，随后我们就把熔池的发生的一些现象，随着时间的变化做了一项工作，这个可以看出来，随着时间的变化，熔池变化的情况，以及熔池形状随着时间的变化。激光在加热材料的时候，它的加热冷却是怎样一个过程，这个也描述得很好。
    （图示）接下来这个模型是整个熔池加工过程，熔池不断的凝固、熔化的过程，得以再现。熔池的尺寸大小的型号，随着时间、速度和各种参数的变化我们都进行了模拟，再现了整个加工的过程。甚至医疗上用得比较多的材料，太料立嗣反（音译）形成的原因是我们要关注的，我们通过这样一个数字模拟再现的过程，把气孔形成的过程记录了下来，揭示了这个气孔形成的机制，因为在3D打印过程中，3D打印这个技术中钛合金有这样的气孔，除此之外还有很多的材料，医用的一些材料，大家关注的液态合金或者说镁合金，镁合金熔点低，升华点低，液态合金容易蒸发。我们对于一个材料，对于钛合金的模拟的过程会辐射到其他的相应的材料中来。
    （图示）下面是它的气口在整个熔池中随着时间变化的情况，可能原来是在粉末孔隙中存在或者说其他的原因存在，最后卷入到这个熔池中，形成了这样一个气孔。
    3D打印的过程，它还有一个温度的场，我们对温度场进行了模拟，整个加工的过程中，它的温度场是什么样的，金属经历了这样的热循环，根据这样的热循环，我们来调控它的组织，调控它内部整体的结构，从而让它性能来符合生物机械的应用，我们知道生物应用材料要求有抗压的强度，还有抗腐蚀的能力，还有疲劳性，我们很多材料的研究的过程中，一般都是涉及到抗压强度，它的腐蚀能力和疲劳的性能很少有考虑到。
    我们要对材料疲劳性能提高也做了一些性能的解读。
    （图示）这种材料用于生物医疗的手段，刚制造出来的时候，它的组织的延展性比较差，我们通过性能的调控，得到了相应的组织，把它延伸率提高了，但是这样还是不能满足医疗上的疲劳性能的要求，按照这个要求我们又对这个组织中存在的某些相形成的温度和存在的温度进行的调研，按照3D打印的过程，实际的应用对它进行模拟，有了这些猜测之后，我们对整个过程进行了调控，最后得到了相应的相，就会使材料的延展性提高。这件事停留在钛合金上，是因为我们在钛合金，在医疗领域上的应用做了相应的研究。（南极熊3D打印网编辑发布。）
    刚才郝永强主任已经讲了，3D打印在医疗领域应用的几个方面，内植物还有骨科的应用，可能是基础的3D打印，未来非常有前景的一部分。我们用激光选驱熔化在骨科方面除了对钛合金的具体的应用做了哪些呢？我们对它的性能进行调控，让它具有很好的抗压的强度，抗拉的强度，但是它具备了这样的性能之后，我们跟广东军区总院的丁主任有了一些合作，我们做了结骨导板，为此我们丁主任在这方面做了很多的临床的工作，这些金属的导板是我们帮着做的，它在金属导板的制造设计方面，我们怎么样做更适用于骨科的应用，我们给了相应的建议和制造的方案，最后把骨科的金属的导板做出来。
    我们不仅做了一些骨科的截骨导板，还有一个定位的导板，除了这两个，我们还做了截骨导板的工具，有一些长度可以固定，还有跟手术台固定之后，长度可调节，然后做了一个万能的夹具，直接实施截骨，这个效果我们还在等丁主任给我们评价。
    截骨导板是钛合金做的，我们也研究了骨科的合金，它应该是早于钛合金的，特别是牙科，我们知道骨科合金用得还是蛮多的，3D打印的骨科合金是否满足生物医药的要求，我们为此做了很多性能方面的研究，像它的抗蚀性，热膨胀的系数，外面有一层跟陶瓷结合之后的弯曲的强度，从材料学的强度上揭示了骨科合金它非常适合做牙的修复的牙冠、牙桥等修复体。
    接下来要讲的是，我们做骨科的内植物的设计这一块，我们跟郝永强主任想的不一样，我们是从工程的领域，我们要做仿生的领域，不同的结构孔隙度不一样，性能不一样，最后使人体具有自身的功能，这样的功能又是其他的自然材料不具备的，从我们的设计制造工程人员来说，我们要模仿骨科工作的功课来说的，让它从功能上适合骨的具体的性能，满足人体的需要。骨的设计我们是要满足他的抗压的强度，弹性的能量，还有一个表面要有一定的孔隙，让生物有利于骨长度。我们的设计方面是把工程上一种先进的设计技术结合到材料加工领域，用骨受力的空况来设计出一个单元的网格的结构，我们对它进行振链（音译）得到了这样的网格，它可以是不同的尺寸，不同的知名度。
    我们得到这样的网格结构之后，我们来测试它的性能，主要是它弹性的容量，从我们调研来看地话，弹性模量是骨骼比较重要的性能，但是如果我们的植入物植入到牙齿中的，它的弹性能量要高于牙床的弹性的能量，会造成一些断裂的情况。所以我们要调控未来的骨科设计结构的未来的弹性的能量，经测试是跟我们所设计的一些网格结构的参数是相关的，他们具有一定的相关性，通过这个相关性，刚才说的是弹性的能量，（图示）这个是抗压的强度，这个抗压的强度也是网格结构设计的参数是相关的。
    在网格结构性能的研究的过程中，我们发现我们设计的网格结构，它的破坏形式以及它的性能跟传统的金属材料是根本不一样的。在研究它的破坏形式的时候，还有其他的性能的时候，我们发现我们所制造出来的材料，它的性能可以按照经典材料的模型，符合经典材料的模型。有的时候我们设计了这种结构它性能是可控的，我们完全可以根据我们的设计，通过我们的调整来调控我们未来的五个结构的弹性的能量和抗压的强度。
    （图示）左边这个是弹性能量的模型，右边的是抗压强度的数据的模型，理论上符合经典材料的理论的。
    为此在这种条件下，我们根据我们设计的材料，制造出了一种梯度的材料，我们要是模仿骨密植，网格比较粗，弹性比较高。输送的组织它的弹性模量更低，孔隙更大。这样的结构设计出来以后，我们可以把它放在一个数学模型里面，我们可以根据不同的弹性的模量，通过调整我们的设计参数来得到它的性能。我们现在是研究到这里，未来我们有了这个网格结构之后，既然它的性能是可控的，在它可调的情况下，我们还要再加上仪表的面积。网格结构新型的可植入物，但是它的尺寸是多大，底表的面积多大，未来还要经过到我们的研究中，把它耦合到一个模型里面。这样的我们就可以按照具体的需求，相应的材料的弹性的模量，材料的抗压的强度，这是衡量一个骨的基本的性能，我们可以对它一体化的设计，来满足人体骨骼的需要。
    这是站在我们通用技术人员的角度讲的，我们站在仿生方面做到最好的情况。这也是抛砖引玉，也希望跟医学的同行们来共同探讨它的可行性和未来的发展。
    （图示）骨的植入需求是非常大的，弹性模量可调的。我们这个模型整个数学模型，材料设计的数学模型完全建立之后，我们针对不止是医学的应用，最大的还有工程的应用，因为在这个共同结构的内部的网格结构来缓冲压力，这都是我们研究的范围，我们的研究一旦完成了，等于我们建立了一个系统，这是一个材料的减振的设计或者说弹性的设计，一个大的数据库。在这个数据库里面，有一个分支专门是为生物工程来服务的。
    我们做的医学的东西就是这些，还有一些不拿出来讲了。其实数字材料设计在国外也是特别的火，但是大多数是针对工程的领域，如果针对医疗的领域，还是不多。现在数字材料设计这一块，也是一个非常重要的研究的方向。
    未来在医学材料加工和应用的领域，我们还要继续做下去，很多的计划已经在走了，镍钛合金和镁合金也是我们未来的发展。
    谢谢大家！