個性化,、更精準：當有機硅遇上3D打印

時至今日,，3D打印已經不再是新鮮事物,。這項技術的思想起源于19世紀末的美國,；在20世紀80年代得到發(fā)展和推廣,；到了新世紀，隨著計算機技術,、材料科學,、成像技術等基礎科研的發(fā)展，3D打印開始大規(guī)模地得到應用,，難怪被稱為“上上個世紀的思想,，上個世紀的技術，這個世紀的市場”,。

航空工業(yè)與醫(yī)療產業(yè)是最先開始應用 3D打印的領域，目前,，3D打印已經在這兩個方面實現(xiàn)了相當規(guī)模的應用,。其中，醫(yī)療器械行業(yè)是3D打印最為重要的市場之一,，它能實現(xiàn)個性化,、精準化的醫(yī)療服務,，需求量正在迅速增長，例如醫(yī)療模型,、手術導板,、牙科及骨科植入物、組織器官生物打印等逐漸進入臨床,，部分已實現(xiàn)規(guī)�,；�生產。

▲3D打印的主動脈瓣

根據(jù)美國咨詢公司Wholers Associates的數(shù)據(jù),，2000年以來,，利用3D打印機定制生產的助聽器殼體和耳模已逾6000萬件。從人工髖關節(jié)到鈦顎骨再加上各種假肢,，數(shù)十萬患者已經安裝了3D打印的骨科植入體,。3D打印的手術導板讓手術更為精確，造福無數(shù)患者,。如今每年約有10萬例膝關節(jié)置換手術是以這種方式進行,。醫(yī)院和口腔頜面等外科醫(yī)生也越來越多地進行醫(yī)療模型的3D打印。借助磁共振成像（MRI）和計算機斷層掃描（CT）等手段提供的解剖學數(shù)據(jù),，3D打印醫(yī)療模型不僅可以保留高水平的細節(jié),，還能節(jié)省大量的時間和金錢，

醫(yī)療行業(yè)如此迅速地接受增材制造并不奇怪,。人的身材尺寸各異,，因而3D打印機定制化生產的能力是一個福音。計算機輔助設計（CAD）軟件控制這些打印機,，引導它們一層層地堆積材料來構建物體,，醫(yī)學掃描的實際是CAD文件。傳統(tǒng)工廠中的工具更適合批量生產一模一樣的產品,，而軟件改動起來則更快速,、更經濟。

1,、有機硅成功實現(xiàn)3D打印
材料的成熟度和擴展一直以來是3D打印技術發(fā)展的重要因素之一,。在醫(yī)療領域，由于屬于非常特殊的一類應用領域,，對于3D打印材料的物理化學特性,、工藝流程、軟件等提出了更高的要求,，尤其對材料與產品的生物兼容性提出了更為嚴格的要求,。目前可用于3D打印的材料，常見的有樹脂、合金（如鎳基鉻,、鈷,、鋁、鈦等）,、聚合物,、陶瓷、塑料等,。其中,，作為在醫(yī)療行業(yè)已得到成熟而廣泛應用的高分子彈性體，有機硅最大的優(yōu)點是成分簡潔,，安全可靠,，具有良好的生物相容性。有機硅彈性體具有出色的柔韌性與彈性,，其外觀和觸感比其他材料更接近人體,。

以前，有機硅成型主要采用復雜的注塑成型工藝：生產商必須首先準備好模具,，然后將液體硅橡膠加壓注入其中,。這種方法成本過高，只適合大規(guī)模生產,。有機硅3D打印則實現(xiàn)了全新的部件設計,。

有機硅3D打印可以覆蓋產品不同的生命周期，無需使用任何工具或模具,，便可直接將數(shù)字模型轉換為實物,，從而降低生產成本、節(jié)省生產時間,、大幅縮短工藝周期,，同時在產品開發(fā)期間快速改進產品；另一方面,，有機硅3D打印還可對結構復雜的功能性部件和原型件進行功能整合,。

不過，有機硅這種特殊的軟膠材料要想實現(xiàn)3D打印,，難度可非同一般,。作為擁有70 多年歷史的有機硅材料供應商，瓦克化學是全球很早進入開發(fā)有機硅3D打印技術的公司之一,。瓦克ACEO® 3D打印技術是用于液體硅橡膠組件增材制造的工業(yè)級技術,。其獨特的“按需噴墨”技術讓ACEO®可以實現(xiàn)充分的設計自由度，用于打印高功能性部件,，同時保持硅橡膠的耐高溫性,、抗輻射性及生物相容性等優(yōu)異性能,。將ACEO® 3D打印技術應用于醫(yī)療領域，顯然將給整個行業(yè)的發(fā)展和病人的福祉帶來極大的益處,。

▲3D打印的血管

2、醫(yī)療模型
醫(yī)療模型在當今的醫(yī)療應用中具有顯著優(yōu)勢,。它們在臨床訓練,、手術計劃可視性和模擬性、病情告知以及醫(yī)療器械開發(fā)過程中的模擬環(huán)節(jié)均大有用武之地,，甚至還可用作精密假肢的定制模型,。由于其外觀和觸感比其他材料更接近人體，醫(yī)療模型在臨床應用,、大學及研究機構中扮演著越來越重要的角色,。

3D打印的醫(yī)療模型可用于創(chuàng)建具有復雜內部結構的有機結構，并且應用范圍廣泛,。有機硅彈性好,、可變形且易于切割和縫合無疑也是一大優(yōu)勢。有了這類模型,，醫(yī)生便可向病人展示其內部器官的情況以及需要采取的治療手段,。例如，外科醫(yī)生可以使用成像數(shù)據(jù)3D打印患者的心臟,，并在幾乎真實的條件下預習手術步驟,，從而預測并減少手術過程中的突發(fā)問題。

ACEO®獨特的基于有機硅彈性體的“按需噴墨”技術可用于打印結構復雜的三維解剖模型,。此類模型模擬生物力學的逼真度達到了前所未有的水平,。有機硅彈性體具有出色的柔韌性與彈性，并且易于切割和縫合,，尤其適用于復制血管,、心臟、肌肉或皮膚等柔軟組織,。

ACEO® 3D打印技術可用于復制人體器官,，制造具有生物相容性的硅橡膠組件，此類組件在科學領域和醫(yī)療行業(yè)的需求始終持續(xù)增長,。所有ACEO®通用型材料的生物相容性均已通過ISO10993和USP Class VI認證,。

ACEO®全球市場總監(jiān)Egbert Klaassen說道：“采用真正的有機硅彈性體打印而成的解剖模型展現(xiàn)了解剖模型所能達到的極致逼真度。瓦克與多家大學,、診所和研究機構的專家共同開發(fā)了一個包括血管,、主動脈弓、主動脈瓣和三尖瓣模型在內的基礎產品系列,，并計劃在大眾市場上推廣,。客戶可以直接訂購上述模型，也可以通過ACEO®網絡商店上傳他們所需要的模型并下單訂購,�,！比涨埃珹CEO®有機硅3D打印服務的中文網站和網上商店已經正式上線,。

3,、人工牙齦
牙科是3D打印迄今為止應用最為成熟的醫(yī)療領域，根據(jù)SmarTech Markets的研究預測,，2020年牙科與醫(yī)學領域的3D打印市場規(guī)模有望達到45.44億美元,。牙科的數(shù)字化技術可追溯到20年前。當時牙冠的標準制造流程是先獲得牙齒印記,，再將其送到實驗室用石膏澆注,。然后，牙科技師對石膏進行3D掃描以創(chuàng)建CAD結構,。之后,，數(shù)據(jù)被傳送到CNC銑床或金屬3D打印機上生產定制的牙冠。這段時間發(fā)生的變化是牙醫(yī)在本世紀之前很少使用口內3D掃描儀,。隨著時間的推移,，牙齒印記和石膏部件逐漸被淘汰。

近期,，慕尼黑口腔修復綜合醫(yī)院的牙科實驗室在一個項目中選用了ACEO®來進一步推動增材制造的人工牙齦的應用,。人工牙齦在口腔種植領域用以模擬患者的真實牙齦情況，與打印的牙齒模型配合使用,，能夠清晰的反映出患者的病理情況,。患者口腔的數(shù)字印記和物理印記都可獲得,，但真實牙齦的柔軟和敏感是無法進行數(shù)字化計算的,。因此，打造完美的牙冠需要一種更真實的牙齦模型,，其材料應比石膏更柔軟并且可以改變形狀,。

▲采用ACEO® 3D打印的硅橡膠人工牙齦

有機硅的特性與牙齦相似。它們不可滲透并且通過了IIa類醫(yī)療器械測試,，它們具有不同的硬度和顏色,，因此3D打印部件的外形和觸感都很逼真。另一方面,，目前尚未開發(fā)出適用于有機硅加工的減材制造技術,，通過3D口內掃描儀獲取數(shù)據(jù)時，創(chuàng)建實體模型的唯一方法是進行銑削或打印,。ACEO®使用高質量材料,，用紫外線固化,，并且不添加增塑劑，因此不會影響觸感和機械性能,。它為制造人工牙齦提供了完美的解決方案,。

4、前景與挑戰(zhàn)
有機硅3D打印是一種新興的技術,，但是已經開始逐步有應用落地,，未來在工業(yè)領域應用范圍會越來越廣。利用3D打印對復雜形狀不敏感,、無需開模等優(yōu)勢，越來越多的創(chuàng)新設計正在涌現(xiàn),，生產效率也得到有效提升,。全世界不僅在探索3D打印在原型打印、小批量及零部件打印方面的潛能,，而且越來越多利用真正的3D結構的優(yōu)勢實現(xiàn)創(chuàng)新設計,，例如：解剖模型、晶格結構的使用,，以及機器人抓手等,。基于MRI或CT數(shù)據(jù)的有機硅3D打印展示了無限的可能性,。未來,，各種新應用將層出不窮。例如,，通過3D打印的定制有機硅呼吸面罩和助聽器不久即將問世,。

不過，一項新技術的發(fā)展總是伴隨著阻礙,，由于市場對3D打印的認知不足和資格審查流程標準不明確,，市場上出現(xiàn)了一些低性能產品，損害了有機硅的聲譽,。對于那些并非從傳統(tǒng)流程了解有機硅的用戶而言,，這種情況尤為嚴重。因此,，專業(yè)組織,、行業(yè)協(xié)會等機構應積極解決有機硅3D打印的標準制定問題。制造商應與客戶緊密合作,，利用有機硅3D打印技術使生產變得更加靈活,，能夠對不同需求快速做出響應。

相信在不久的將來,，隨著包括有機硅在內的諸多3D打印材料的成熟與完善,，巧婦不再難為無米之炊,。材料科學、3D打印等技術的進步將繼續(xù)推動醫(yī)療行業(yè)迎來革命性的變化,。