瓦克化学：按需喷墨有机硅胶3D打印技术，医疗创新新利器

△瓦克化学业务发展经理 张崇峰分享了“有机硅3D打印创新型解决方案”

2019年5月23日，有机硅3D打印方案提供商瓦克化学，在广州举办的第二届生物医疗3D打印发展高峰论坛上，做了“有机硅3D打印创新型解决方案”的演讲分享，现场上百名听众受益。


知识背景

有机硅，是一种在医疗行业应用广泛的高分子弹性体，其最大优点是成分简洁，安全可靠，具有良好的生物相容性。相较于其他材料，它具有独特的优势：与PVC 材料相比，有机硅材料不需要添加增塑剂就可以达到很柔软的效果；与乳胶材料相比，有机硅材料没有致敏的风险；与热塑性弹性体材料相比，有机硅材料具有更可靠的耐温、耐压变性能。同时，有机硅材料本身具有固、液两大形态，适用于多种成型工艺，能够很好地适应医疗行业纷繁复杂的加工需求。

△医疗级硅胶，挤出、注塑、双色注塑、3D打印等各种生产工艺的对比


△有机硅3D打印样件

瓦克化学，是一家拥有70 多年历史的有机硅材料供应商，也是全球很早进入有机硅开发的公司之一。瓦克ACEO®3D 打印技术是用于液体硅橡胶组件增材制造的工业级技术。凭借其独特的“按需喷墨”技术，ACEO® 可确保充分的设计自由度，用于打印高功能性部件，同时保持硅橡胶的耐高温性、抗辐射性及生物相容性等优异性能。采用ACEO® 技术打印而成的硅橡胶组件广泛应用于汽车、航空航天、医疗、设备行业以及机械工程等众多关键行业。


一般情况下，有机硅成型主要采用复杂的注塑成型工艺：

• 生产商必须首先准备好模具，
• 然后将液体硅橡胶加压注入其中。
  

这种方法成本过高，只适合大规模生产。
有机硅3D 打印则实现了全新的部件设计：

• 可以覆盖产品不同的生命周期，无需使用任何工具或模具，便可直接将数字模型转换为实物。
  

这种方法降低生产成本、节省生产时间、大幅缩短工艺周期，同时在产品开发期间快速改进产品；另一方面，有机硅3D 打印还可对结构复杂的功能性部件和原型件进行功能整合。


△ACEO®技术基于“按需喷墨”打印原理。打印头将有机硅微液滴（体素）逐滴沉积在工作平台上，然后液滴相互融合，形成均质有机硅层。每打印一层有机硅，系统将立刻使用紫外光将整个有机硅层固化。


通过使用支撑材料来生产飞檐或孔洞等复杂结构，便能逐层打印出三维物体。打印完成后，将物体从工作平台上移除，并用水将支撑材料冲洗掉即可。随后将物体二次硫化，以便去除挥发物，并实现最终的机械性能。

△瓦克化学的硅胶3D打印系统



△有机硅3D打印产品的性能。聚合物的粘度较高，这意味着每层厚度通常为 0.4 毫米。因此，打印出来的物体由四个不同的表面组成：工作平台上的底面（1）、由最后一层形成的顶面（2）、层状结构的侧壁（3）以及与支撑材料相接触的表面（4）。为了实现不同的粗糙度，需使用两种支撑材料。从原则上来说，打印完成后，可以在部件表面覆膜，以提升其外观。


硅胶3D 打印解剖模型


△ACEO® 独特的基于有机硅弹性体的“按需喷墨”技术可用于打印结构复杂的三维解剖模型。此类模型模拟生物力学的逼真度达到了前所未有的水平。有机硅弹性体具有出色的柔韧性与弹性，并且易于切割和缝合，尤其适用于复制血管、心脏、肌肉或皮肤等柔软的组织。

ACEO® 3D 打印技术可用于复制人体器官，制造具有生物相容性的硅橡胶组件，此类组件在科学领域和医疗行业的需求始终持续增长。近期，瓦克ACEO® 团队推出了解剖模型系列。它与多家大学、诊所和研究机构的专家共同开发了一个包括血管、主动脉弓、主动脉瓣和三尖瓣模型在内的基础产品系列，并计划在大众市场上推广。

解剖模型在当今的医疗应用中具有显著优势。它们在临床训练、手术计划可视性和模拟性、病情告知以及医疗器械开发过程中的模拟环节均大有用武之地，甚至还可用作精密假肢的定制模型。由于其外观和触感比其他材料更接近人体，解剖模型在临床应用、大学及研究机构中扮演着越来越重要的角色。


硅胶3D打印牙科应用

近期，慕尼黑口腔修复综合医院的牙科实验室在一个项目中选用了ACEO®来进一步推动增材制造的人工牙龈的应用。人工牙龈是牙冠生产过程中的植入物。患者口腔的数字印记和物理印记都可获得，但真实牙龈的柔软和敏感是无法进行数字化计算的。因此，打造完美的牙冠需要一种更真实的牙龈模型，其材料应比石膏更柔软并且可以改变形状。

有机硅的特性与牙龈相似。它们不可渗透并且通过了医学分类IIa 测试，它们具有不同的硬度和颜色，因此3D 打印部件的外形和触感都很逼真。另一方面，目前尚未开发出适用于有机硅加工的减材制造技术，通过3D 口内扫描仪获取数据时，创建实体模型的唯一方法是进行铣削或打印。ACEO® 使用高质量材料，用紫外线固化，并且不添加增塑剂，因此不会影响触感和机械性能。它为制造人工牙龈提供了完美的解决方案。


硅胶3D 打印生物模型


生物模型是探索解剖结构及其特性的医学工程。它可分为个人模型和通用模型。个人模型可用于术前测试、假体制造或矫正手术等目的。通用模型则具有教育功能。

医院和口腔颌面等外科医生越来越多地对这些模型进行单独3D 打印。直至今日，3D 打印材料的选择仍然有限，因此这些模型仅可用于有限用途。同时，诸如磁共振成像（MRI）和计算机断层扫描（CT）等现代放射学程序提供的解剖学数据也可用于创建3D 打印有机硅模型。

3D 打印的生物模型可用于创建具有复杂内部结构的有机结构，并且应用范围广泛。有机硅弹性好、可变形且易于切割和缝合无疑也是一大优势。有了这类模型，医生便可向病人展示其内部器官的情况以及需要采取的治疗手段。例如，外科医生可以使用成像数据3D 打印患者的心脏，并在几乎真实的条件下预习手术步骤，从而预测并减少手术过程中的突发问题。


基于MRI 或CT 数据的有机硅3D打印生物模型提供了无限的机会。未来，各种新应用将层出不穷。例如，通过3D打印的定制有机硅呼吸面罩和助听器不久即将问世。

前景与挑战

有机硅3D 打印是一种新兴的技术，但是已经开始逐步有应用落地，未来在工业领域应用范围会越来越广。利用3D打印对复杂形状不敏感、无需开模等优势，越来越多的创新设计正在涌现，生产效率也得到有效提升。全世界不仅在探索3D 打印在原型打印、小批量及零部件打印方面的潜能，而且越来越多利用真正的3D 结构的优势实现创新设计，例如：解剖模型、晶格结构的使用，以及机器人抓手等。因此，有机硅3D 打印仍有巨大的发展空间。

但是，一项新技术的发展总是伴随着阻碍，由于市场对3D 打印的认知不足和资格审查流程标准不明确，市场上出现了一些低性能产品，损害了有机硅的声誉。对于那些并非从传统流程了解有机硅的用户而言，这种情况尤为严重。因此，专业组织、行业协会等机构应积极解决有机硅3D 打印的标准制定问题。制造商应与客户紧密合作，利用有机硅3D 打印技术使生产变得更加灵活，能够对不同需求快速做出响应。（上文转自瓦克化学、荣格塑料工业）

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