武汉易成三维是国内领先的3D打印、三维扫描仪综合方案供应商，始终专注于制造、教育、科研、军工等领域，迄今为止已为约600所著名高校、科研院所、约10000个企业机构提供专业的3D打印设备、服务及平台化数字智造应用方案。

介绍

在快速增长的速度下，医疗行业继续认识到增材制造（AM或3D打印）在各种医疗应用中的附加值。AM现在用于开发新的外科切割和钻孔导轨，骨科植入物和假肢，以及创建患者特定的骨骼，器官和血管复制品。

Wohlers在2015年的一项研究显示，所有3D打印收入的13%来自与医疗行业相关的公司。从颅骨植入物到美国食品和药物管理局（FDA）批准的髋关节，膝盖和脊柱植入物，20多种不同的植入物均采用各种AM技术生产。此外，迄今为止，已经通过AM生产了超过100，000个髋臼（髋关节杯）植入物，其中约50，000个植入患者体内。

所有这些里程碑继续加强增材制造现在在医疗行业中的重要作用，在医疗行业中，可以制造为每个人量身定制的定制产品。这提高了医疗专业人员对患者的理解（ 外科学习工具），并通过允许与专门为其解剖结构设计的产品进行交互来提高患者的舒适度。

本文将讨论医疗行业内的要求，这些要求使增材制造成为许多应用的理想选择技术，并介绍用于生产3D医疗模型的最常用数据生成方法。还将讨论常见的医疗行业应用以及AM必须克服的局限性和限制，以进一步影响该行业。最后，将介绍一系列在医疗行业中使用AM的案例研究。

医疗行业要求

定制

医疗保健的个性化性质意味着增材制造是医疗行业的理想解决方案。AM不是制造数千个相同的组件，而是能够创建针对患者特定解剖结构量身定制的假肢和矫形器，从而提高其有效性。

复杂性

过去，传统制造业可能难以创造复杂的有机形状，而AM技术现在能够打印的设计可能是无限的。完美遵循骨骼或多孔金属部件轮廓的薄支架易于制造，为许多以前不可能的应用和设计（包括面部骨骼，桡骨和尺骨）打开了大门。

提前期

无论是内部还是外包，创建模具的交货时间都可能漫长而昂贵。AM的标志之一是为设计师和工程师提供工具，以快速创建和迭代设计，使用逼真的原型更有效地进行通信，并最终缩短上市时间。任何医疗设备成功的一个重要部分是来自医生和患者的反馈以及这些设计改进可以实施的速度。在几个小时内，现在可以根据外科医生的直接反馈来迭代医疗工具的设计，外科医生将使用它并打印新的原型进行评估。快速反馈环路可加速设计开发。制造商还可以使用早期的增材制造部件来支持临床试验或早期商业化，同时最终设计仍在优化中。

成本

除了能够创建自定义的复杂组件外，增材制造还最适合小批量生产，这意味着成本通常会下降，而效率会提高。生产的个性化意味着不再需要昂贵的工具或加工工艺。增材制造技术也仅使用所需的材料生产零件，从而减少浪费并进一步降低成本。

多材料打印

一些AM技术现在也能够在单个打印程序中打印来自不同材料的3D模型。这样做的好处是，模型现在可以具有不同的部分来表示骨骼，器官和软组织，从而使外科医生和医生能够更好地了解使用模型进行手术或教育目的时患者身体的感受。

灭菌性

由于某些部件在医疗工业中的应用，灭菌性是一种重要的材料特性。下表列出了AM中使用的一些最常见的可灭菌材料。

数据生成（CT、核磁共振成像、3D 扫描）

直接从扫描数据中生产患者特定零件的能力是一个明显的好处，对于大多数传统制造技术来说，这种优势并不具有成本效益。这些定制的部件是通过将患者自己的扫描（使用计算机断层扫描（CT），磁共振成像（MRI）和激光扫描等技术）转换为3D文件的软件来实现的。这些文件基本上编码每个患者特定的解剖或病理特征，然后可以通过3D打印机制造。

CT - CT使用许多通过受试者的X射线投影来计算重建横截面图像。CT被认为是骨成像和收集数据的首选成像方法，然后用于生成硬组织结构（如骨骼）的医学模型。CT扫描广泛用于急诊室，因为扫描时间不到5分钟。因为患者暴露于少量辐射CT扫描有时可能不合适。

MRI - MRI利用非常强大的磁铁来对齐体内原子核，以及导致原子共振的可变磁场，这种现象称为核磁共振。原子核产生自己的旋转磁场，扫描仪检测到并用于创建图像。与CT扫描相比，MRI上正常和异常组织之间的差异通常更清晰。通常，MRI扫描也需要更长的时间才能完成。

激光扫描 - 激光扫描扫描物体的表面并捕获表示为点集合（点云）的数据，然后用于生成3D表面。这使得非常难以精确测量和3D建模的零件能够被数字化和精确再现。与CT或MRI扫描不同，激光扫描不显示被扫描物体的内部特征。此外，激光扫描仪具有各种尺寸，适用于不同的应用，与工业尺寸的CT和MRI扫描仪相比，具有手持式变体，具有很大的优势。

常见应用

外科学习工具

虽然医疗行业3D打印的大部分焦点都集中在患者使用的植入物和医疗设备上，但最大的应用领域之一集中在解剖复制品上。从历史上看，临床培训、教育和设备测试一直依赖于使用动物模型、人类尸体和人体模型在临床模拟中进行实践经验。这些选项有几个缺陷，包括供应有限，处理和存储费用，模型中缺乏病理学，与人体解剖学不一致，以及无法准确表示活人的组织特征。

医生现在使用AM从患者扫描数据中生成的模型来改善疾病的诊断，阐明治疗决策，计划，在某些情况下，甚至在实际治疗之前进行选定的手术干预。这些模型帮助医生了解难以可视化的患者解剖结构，尤其是在使用微创技术时。模型还有助于准确确定医疗器械的尺寸。医生还可以使用这些模型向患者及其家属解释即将进行的手术，并将手术步骤传达给临床团队。

为了帮助降低成本，一些机构已经开发了一些程序，外科医生在低成本人体模型上练习和计划手术，这些人体模型移植了患者特定的AM模型。再加上AM技术能够在单个部件中生产硬质和软质材料，从而可以精确复制人体组织，钙化和骨骼，这意味着外科医生现在可以更好地了解手术需要如何进行，直到患者解剖结构不同部分的触摸和感觉。

手术导板和工具

就像在制造中使用钻头来确保将孔放置在正确的位置一样，医生也实施指南和工具来协助手术。从历史上看，手术导板和工具是由钛或铝制成的通用设备。通过实施AM，医生能够创建精确遵循患者独特解剖结构的指南，准确定位手术过程中使用的钻头或其他仪器。增材制造导板和工具用于使修复性治疗（螺钉、板和植入物）的放置更加精确，从而获得更好的术后效果。

整形外科医生和颅面（颅骨和面部）外科医生是AM指南和工具的最常规用户之一。2014年，制造了23个定制的手术导板和模板，以协助部分或全膝关节置换手术，制造了超过112个手术导板以协助各种颅面手术，仅在埃及就将9种不同的钛合金Ti-6Al-4V颅面植入物植入患者体内。手术导板来自患者扫描，以精确匹配其解剖结构，由PC-ISO（一种可灭菌的FDM塑料）制成，与人体组织兼容，可进行短期接触。这允许将它们放置在患者的解剖结构上，以获得更精确的切割或钻孔。

解剖学模型（骨骼模型）和手术导板也定期通过AM产生，并协同使用，以在进行手术之前计划和测试符合患者骨表面的螺钉或板的最佳位置。

植入 物

AM能够在手术植入物表面产生精细的网格或晶格结构，可以促进更好的骨整合并降低排斥率。生物相容性材料，如钛和钴铬合金，可用于颌面（颌面和面部）外科和骨科的应用。与传统产品相比，AM产生的优越表面几何形状已被证明可以将植入物存活率提高2倍。这些增材制造产品的孔隙率加上高度的定制化和用传统医疗材料制造它们的能力，使增材制造植入物成为增材制造医疗行业增长最快的细分市场之一。

假肢

仅在美国，每年就进行近200，000次截肢手术，假肢的价格从5，000美元到50，000美元不等，更换或改造可能既耗时又昂贵。由于假肢是这样的个人物品，因此每个假肢都必须是定制的或适合佩戴者的需求。AM技术现在经常用于生产与用户解剖结构完美匹配的患者特定假肢组件。从一系列材料中产生复杂几何形状的能力导致AM在与患者接触的部位进行调整。AM技术已被用于生产从舒适地贴合用户的假肢连接到癌症患者复杂且高度定制的面部假体的所有产品。

增材制造也用于制造低成本假肢。增材制造行业的协作性质意味着3D打印假肢的快速互联网揭示了大量同行评审的产品，这些产品可以以非常低的成本在桌面AM打印机上打印。这些设计可以轻松缩放或更改，以完全匹配用户的尺寸。e-NABLE社区由来自世界各地的一群人组成，他们正在使用他们的3D打印机为那些需要上肢辅助设备的人创建免费的3D打印手和手臂。随着AM继续进入主流，像这样的概念现在变得越来越普遍。

通常，传统的制造技术和材料用于生产功能性假肢的结构部分。然后，AM通常在界面部分通过产生与用户解剖结构完美契合的复杂轮廓来实现，从而提高舒适度和贴合度。增材制造也用于假肢的外表面，以产生栩栩如生的有机外壳，隐藏假肢的机械性质。这也允许佩戴者完全定制他们的假肢，以适应他们喜欢的任何设计或风格