浅谈3D打印医疗设备的未来

导读：在过去的几年间，世界各地关于3D打印医疗设备的新闻事例层出不穷，从3D打印的助听器到手术工具，如镊子和术中牵引器等，3D打印在医疗领域的应用潜力正在被不断证实。毫无疑问，3D打印正在逐渐按改变医学界的游戏规则。

随着新的医疗工具和小工具如雨后春笋般涌现，3D打印正变得越来越容易获得，价格也越来越低。也许未来，由于技术的不断发展，从身体器官到植入物都可以进行3D打印。

然而，除了目前的创新之外，3D打印在医疗领域还有什么值得期待的？南极熊今天就与你一道来探讨这个问题。

△工作中的3D打印技术

3D打印医疗设备的过去和现在

增材制造，也被称为3D打印，起源于20世纪80年代。第一个记录在案的用于替换缺失或无法使用的人体部件的3D迭代可以归功于日本，当时Hideo Kodama尝试了一个快速成型系统。虽然他没能为这项创新申请专利，但他通常被认为是增材制造系统的第一个发明者。

多年以后，三位法国开发者试图升级快速成型系统。与Hideo一样，他们也没能为这一举措申请专利。同年，查尔斯-赫尔成为第一个拥有建立创建3D模型系统专利的开发者。

△查尔斯·赫尔（Charles Hull）

自从被创造以来，一些公司和初创公司已经尝试使用增材制造技术。2016年，第一台SLS（选择性激光烧结）打印机发布，取得了商业成功，CAD（计算机辅助设计）工具也随之开始普遍使用。

当第一个假肢在2016年被打印出来时，虚构变成了现实，医学界终于为不断上升的器官和植入物的需求找到了一个突破口。

今天，3D打印机随处可见，价格也处于历史低位。这种无处不在的情况使大家有可能开发出不同的3D打印材料。根据一项研究，80%的高科技制造商依靠3D打印进行产品原型制作。

3D打印的特点和好处

科学家和作家们多年来一直在探索和发掘3D打印的优势和功能。在1980年发行的《星球大战》系列第四集《帝国反击战》的最后一幕中，天行者卢克从一个机器人那里得到了一只假手。虽然那是虚构的，但医学界确实已经实现了这种幻想——3D打印的假手。

△医生和科学家们正在努力完善3D打印附属物，如手、耳朵等，用于先进的假体。

总的来说，当下3D打印的优势和特点主要可以分为以下几点：

1)      快速原型制作

3D打印加快了增材制造的原型设计过程。今天，器官和植入物的原型可以在短短几小时内打印出来。快速性是3D打印比机器原型制作更受青睐的原因。除了速度之外，它也具有非常可观的成本效益。

2)      设计的灵活性

用于3D打印的材料已经发生了变化。医疗工具和设备可以用钢、酸、钛、甚至巧克力都可以进行3D打印。材料的变化使设计变得灵活。另外，与传统打印相比，3D打印没有任何限制。

3)      浪费最小化

3D打印减少了资源的浪费。生产打印件只需要生产部分所需的材料。与其依赖大块的回收材料，3D打印只使用零件需要的材料。

4)      易于使用

3D打印对每个人来说都是便捷易学的。新的3D打印机的发展为每个人提供了学习和利用创新的机会。由于政府的有利举措，你可以得到一台打印机，并开始使用它，没有任何限制。

5)      成本效益高

在过去，你需要有许可证才能使用3D打印机，而今天，你只需要有意愿就能得到一台。打印机可以在任何地方买到，这确保了其成本效益。

3D打印在医疗领域的未来趋势

3D打印的未来可以通过目前的发展趋势来想象。医疗保健方面的这些趋势包括器官、植入物、假肢、手术器械和其他医疗设备，旨在实现手术室里未来的技术革新。以下是对3D打印如何改变医学游戏的简要看法。

1)      器官和植入物

在美国，有数百人在等待器官和植入物。这些人正在寻找捐赠者，以进行拯救生命的器官替换。然而，这一趋势即将因3D打印而改变。科学家们正在努力寻求创造更快、更有效的3D打印肾脏、肺部和其他器官。

2)      手术器械

获得一套手术器械的平均价格约为3000美元（约2200英镑），这相当昂贵。有了3D打印技术，手术器械变得更加完善，成本效益更高。科学家们可以修改任何医疗用品，甚至可以打印出复杂的医疗用品。

3)      假肢和医疗设备

为什么要浪费时间和资源来制作假肢和医疗设备？由于其快速的原型设计，3D打印可以修改任何可以适合人类的假肢设计。在未来，没有人需要依赖捐赠者来获得适合他们的定制假肢和设备。

△目前，人们正在尝试利用3D打印机制造医疗设备和手术设备，这些设备可以被设计成特别适合某些病人的解剖要求。

透过3D打印可实现的医学进步

从定制的身体部位到模拟癌症肿瘤帮助研究，3D打印技术已经成为重大医学突破的核心，而这些应用只是一个开始而已。下面概括了透过3D打印可实现的5项医学进步：

1)     通过3D打印，手术在进入手术室之前就可以提早开始。通过打印需要进行手术的精确器官模型，外科医生可以模拟手术，让他们掌握每个手术细节和累积经验后，再进行真正的手术，从而降低风险并提高成功率。

有时候，模拟甚至可以避免无效的实际手术。例如，当发现肿瘤位置过于接近重要器官而无法切除时，根本就没有手术的必要，反而应该考虑其他疗法。

2)   3D打印的另一个令人振奋的进步是智能药丸，这项技术有可能彻底改变药物的使用。目前正在开发的一种药丸将包含几个腔室，每个腔室含有不同的药物。这种新发明与现有药丸的分别在于3D打印技术能够让智能药丸为每种药物设定不同的药力释放速度和时间。

譬如，我们能够调节针对小肠的药物的释放时间为三小时—— 这是药丸前往该器官所需的时间。另外，药力释放速度也可按需要而设定。通过这种方式，我们可以快速释放止痛药力，但减慢激素释放，以确保药力能够逐渐吸附。这些智能多腔室药丸使患者能一次服用不同药物，降低忘记吃药的机会（确保正确用药）。

3)     凭借先进的3D打印技术，各身体部位和骨骼都可以透过“印刷”来定制，以满足每位患者的独特需要。无论是关节置换，还是重建受损的骨骼及身体部分，这项技术都能完美地解决每位患者的个人需求。

程序上，先用电脑断层扫描(CT)扫描受影响区域，并绘制出骨骼结构。然后，根据患者的准确身体尺寸和特征，以3D打印机创建模具，再注入适当的填充材料替换缺失的关节或骨骼结构。

4)     要了解致命疾病如何扩散，研究人员需要准确复制人体。 3D打印可以印制出真实人体器官的复杂结构。在受控环境下，研究人员为细菌和肿瘤提供氧气和葡萄糖，让它们如在人体般，在3D模型中成长并扩散到不同的“组织”。

这使科学家能够在不危及人类生命的实验室环境内追踪疾病传播。器官模型改善了现代医学治疗疾病不同阶段的能力，并有助研发更有效的药物。此外，这些模型使研究人员能够在早期识别疾病，从而及早阻止疾病传播。

5)     3D打印机不仅有助治疗现存的疾病，它们更是未来医学，甚至是人类进化的发展关键。曾被认为是科学幻想的仿生人类，将可能通过3D打印生物材料，结合电子元件和聚合物予以实现。

△3D打印心脏模型。来自:Medix团队

结论

3D打印的想法由来已久，可以追溯到日本的Hideo Kodama，这一创新始于人体部件替代的迭代。在第一台SLS打印机开发出来后，3D打印已经具有成本效益、容易获得、快速、灵活和浪费最小化的显著优势。

依靠大规模的现代改进，3D打印预计会在不久的将来取代器官和植入物。它还确保了手术器械、假肢和其他医疗设备的快速和更有效的替代。尽管我们离能够通过3D打印机可靠地制造新的身体部位和器官还有几年时间，但这项技术将继续彻底改变医生和外科医生治疗病人的方式。