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活用这项技术,身体哪里“坏了”都不怕...

实验室资讯网时间:2019-08-28 点击: 百度搜索

【导读】增材制造技术是一种以数字模型文件为基础,应用粉末状金属或塑料等可黏合材料,通过分层制造、逐层叠加的方式来构造物体的技术,它包括SLA、SLS、3DP、FDM等。为了方便理解和推广,媒体将增材制造技术又称为3D打印技术。增材制造技术最早主要用于设计原型的制造,因此又称为快速原型技术。随着......
TAG标签: 3D打印

增材制造技术是一种以数字模型文件为基础,应用粉末状金属或塑料等可黏合材料,通过"分层制造、逐层叠加"的方式来构造物体的技术,它包括SLA、SLS、3DP、FDM等。为了方便理解和推广,媒体将增材制造技术又称为3D打印技术。增材制造技术最早主要用于设计原型的制造,因此又称为快速原型技术。随着3D打印技术的发展,3D打印机的成本大大降低,其应用范围也得以拓展,今天我们共同来盘点一下几个3D打印在医疗行业的几种主要应用。

外附骨骼及康复设备

01

 

大概是因为铠甲情节,人类对外附骨骼的研究由来已久,细分下来可以分为增强型外附骨骼和医用型。对于增强型外附骨骼,多用于军事、救援等领域,一部“钢铁侠”(虽然现在的科技远远达不到钢铁侠的水准)已经足够了解其中奥妙,我们就不再赘述。而医用型外附骨骼+3D打印绝对是个伟大的结合。

因为3D打印技术的日益成熟,限制医用3D打印外附骨骼发展的最大阻力更多的在设计方面。因此众多公司或团队在这一领域发布了各自的产品。比如一位来自澳洲的设计师就成功设计出一款3D打印的外骨骼,它包含了13个成品零件,组成部分还包括金属螺丝超级胶,搭扣,旧皮带,一些黑色塑料,金属螺丝,金属螺丝,超级胶,搭扣,一些黑色塑料,非常实用。

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当然也有很多“科班出身”的产品,如美国Lehigh大学的一个团队已经设计出4款辅助身体康复的各种外骨骼装置,全部由3D打印制作。

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除此以外,3D打印石膏也是一个比较实用的应用,可根据患者体型专门订制,并且轻便灵活,舒适透气,不必再像过去,几个月都要带着笨重闷热的石膏绷带, 皮肤瘙痒却无法抓挠,也不再需要忍受隐约的酸臭味

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3D打印骨科医疗器械

02

 

这个部分容小编偷个懒,用一组中国器审制作的漫画来展示。

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替代器官

03

 

这是一个正在不断探索中的领域,本文用3D打印心脏举例,心血管疾病(CVD)是全球造成死亡最多的病因。目前针对心力衰竭患者晚期、末期的有效治疗方法,心脏移植仍然受限制于来源不稳定的心脏供体。目前的临床移植来源通常包括病人自己、捐赠者、动物或人工合成的移植组织,比如目前晚期心力衰竭一般的治疗方法是异体心脏移植。尽管每种类型的移植物都有望治疗CVD,但每种移植物都有其自身的缺点,包括(但不限于)供体器官短缺、免疫排斥反应和治疗时间有限等,所以3D打印心脏被广泛推崇。

 

2019年8月初,美国卡耐基梅隆大学(Carnegie Mellon University)的研究人员开发出一种新的3D生物打印技术,利用胶原蛋白替代人工合成材料作为3D打印材料,制造出了图案复杂的高分辨率人体器官组织支架。利用该项技术,AdamFeinberg教授等成功打印出了各种心脏部件,如毛细血管,可收缩心室,新生儿心脏大小的人类心脏模型(包括血管系统、瓣膜等复杂结构)等,其分辨率远远超越了此前研究技术中100~500微米,高达20微米。

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成人心脏瓣膜三维模型

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新生儿胶原心脏及模型

胶原蛋白是人体的一种结构蛋白,同时也是细胞外基质的主要成分,人体几乎每个组织都由胶原蛋白构成。它们有足够的机械强度,可以为细胞和组织成分提供结构空间。因此,胶原蛋白所制备的生物支架将具有复制组织和器官结构和功能的能力,所以胶原蛋白在3D器官打印中也被认为是一种理想的生物打印材料。但是要用天然的胶原蛋白做3D打印的生物墨水还具有一定的挑战性。因为凝胶化通常是通过热驱动的自组装来实现的,这个过程不好控制,因此很难用天然未变性的胶原蛋白来构建3D生物打印复合支架。

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“FRESH”打印的胶原蛋白管结构

Adam Feinberg教授所在团队开发的这种新技术——“悬浮水凝胶的自由可逆式嵌入”(Freeform Reversible Embedding ofSuspended Hydrogels)简称“FRESH”克服了这个问题。在打印中以明胶作为结构支撑,以特定浓度的胶原蛋白为材料,从灵活的打印喷嘴中被挤出后,可以在支撑胶中逐层沉积和凝固成型。最后,通过调节温度变化(从室温至体温),就可以让原本支撑用的明胶融化的同时,保持打印出来的胶原蛋白结构的完好,以及嵌入到胶原蛋白中细胞的完整。同时,他们通过实现快速的pH值变化来驱动内胶原蛋白自组装缓冲材料的支持,实现了(1)使用未经化学修饰的胶原蛋白作为生物墨水;(2)通过提高胶原蛋白浓度(12到24毫克/毫升)增加了力学性能;(3)创建了复杂的结构和功能的组织架构。

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可收缩的“FRESH”3D生物打印人左心室模

利用此技术他们打印出了由胶原蛋白和人类胚胎干细胞来源的心肌细胞打印出的左心室模型,保证其打印精度大幅提高的同时,兼具人类心室应有的完整结构和自发搏动功能以及对外泵血的功能。他们将胶原打印成左心室内外壁,中间夹层为人胚胎干细胞来源的心肌细胞(HSCS-CMS)和2%的心肌成纤维细胞。打印后培养的第4天夹层细胞就已经开始收缩,而在第7天后他们发现细胞已经分化连接到一起并开始同步收缩。在之后收缩过程中,打印的心室不断向内和向外扩张增厚,而心室壁增厚恰恰是正常心室收缩的一个标志。

此外,FRESH技术的发明为组织工程中如纤维蛋白、透明质酸、藻酸盐等各种软性生物材料的打印供了一个适应性强大的平台。这项新技术无疑是心血管组织工程时代向3D打印全尺寸成人心脏时代迈进的重要里程碑。

3D打印自体细胞来源的心脏也是一个取得一定成果的研发方向。今年4月份以色列特拉维夫大学的研究人员实现了利用取自病人自身的人体组织,第一次成功设计并打印出了充满细胞、血管、心腔的完整心脏,为临床移植提供了可能性。   

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3D打印“mini”心脏:细胞和血管一应俱全

 

自体组织构建可有效避免患者移植器官后的免疫排斥反应,接受治疗的患者将不再需要一直等待移植源或依靠药物来防止排斥反应。该团队的相关研究成果已发表在《Advanced Science》杂志上,他们之后计划用1-2年的时间将这些心脏移植到动物模型中。虽然打印这颗樱桃大小的心脏仅仅需要三到四个小时,但是后期在生物反应器中成熟培养的阶段却不止一个月,且只能收缩,不具备泵血能力,加上自体移植细胞的来源有限,难以实现全尺寸成人心脏的3D打印。

3D打印的牙科应用

04

 

制作一幅高质量的全瓷牙,有着严格的手术过程。首先需要有牙齿印模,再据此制作石膏模型,一系列复杂的工序,并且价格十分昂贵。除了高昂的价格外,传统的牙科修复往往需要多次手术以及6-12个月的不间断护理,在这个过程中,患者往往会在相当长的一段时间里处于牙齿残缺的状态。

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用3D打印技术,利用数据将全瓷牙轻而易举地打印出来,既省去这些繁复的程序,还能为患者大大节约成本,并且免除患者因牙齿缺失造成的外观、心理和生活中的各种不利影响。

此外,知名3D打印机厂商3D Systems公司也针对牙科领域发布过一款名为Jaw in a Day(JIAD)的产品,该产品可以使外科医生可以针对特定患者的实际情况为颌骨和牙科重建手术3D打印手术导板、模型和器械。

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也许目前3D打印用于医疗还存在一些技术壁垒或伦理方面的障碍,但相信这项技术可以给医疗行业带来更多的想象空间!

(本文来源:器械之家 )

(责任编辑:子豪)

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