個性化,、更精準：當(dāng)有機硅遇上3D打印

時至今日,，3D打印已經(jīng)不再是新鮮事物,。這項技術(shù)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(shù),、材料科學(xué)、成像技術(shù)等基礎(chǔ)科研的發(fā)展,，3D打印開始大規(guī)模地得到應(yīng)用,，難怪被稱為“上上個世紀的思想，上個世紀的技術(shù),，這個世紀的市場”,。

航空工業(yè)與醫(yī)療產(chǎn)業(yè)是最先開始應(yīng)用 3D打印的領(lǐng)域，目前,，3D打印已經(jīng)在這兩個方面實現(xiàn)了相當(dāng)規(guī)模的應(yīng)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(wù)，需求量正在迅速增長,，例如醫(yī)療模型,、手術(shù)導(dǎo)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)模化生產(chǎn),。

▲3D打印的主動脈瓣

根據(jù)美國咨詢公司W(wǎng)holers Associates的數(shù)據(jù),，2000年以來，利用3D打印機定制生產(chǎn)的助聽器殼體和耳模已逾6000萬件,。從人工髖關(guān)節(jié)到鈦顎骨再加上各種假肢,，數(shù)十萬患者已經(jīng)安裝了3D打印的骨科植入體。3D打印的手術(shù)導(dǎo)板讓手術(shù)更為精確,，造福無數(shù)患者,。如今每年約有10萬例膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)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(xué)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(chǎn)的能力是一個福音。計算機輔助設(shè)計（CAD）軟件控制這些打印機,，引導(dǎo)它們一層層地堆積材料來構(gòu)建物體,，醫(yī)學(xué)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(chǎn)一模一樣的產(chǎn)品,，而軟件改動起來則更快速,、更經(jīng)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(shù)發(fā)展的重要因素之一,。在醫(yī)療領(lǐng)域，由于屬于非常特殊的一類應(yīng)用領(lǐng)域,，對于3D打印材料的物理化學(xué)特性,、工藝流程、軟件等提出了更高的要求,，尤其對材料與產(chǎn)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(yīng)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(fù)雜的注塑成型工藝：生產(chǎn)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(chǎn)。有機硅3D打印則實現(xiàn)了全新的部件設(shè)計,。

有機硅3D打印可以覆蓋產(chǎn)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(zhuǎn)換為實物，從而降低生產(chǎn)成本,、節(jié)省生產(chǎn)時間,、大幅縮短工藝周期，同時在產(chǎn)品開發(fā)期間快速改進產(chǎn)品,；另一方面,，有機硅3D打印還可對結(jié)構(gòu)復(fù)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(yīng)商,，瓦克化學(xué)是全球很早進入開發(fā)有機硅3D打印技術(shù)的公司之一,。瓦克ACEO® 3D打印技術(shù)是用于液體硅橡膠組件增材制造的工業(yè)級技術(shù)。其獨特的“按需噴墨”技術(shù)讓ACEO®可以實現(xiàn)充分的設(shè)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(shù)應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)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(dāng)今的醫(yī)療應(yīng)用中具有顯著優(yōu)勢,。它們在臨床訓(xùn)練、手術(shù)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(yīng)用,、大學(xué)及研究機構(gòu)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(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的有機結(jié)構(gòu),，并且應(yīng)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(nèi)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(yù)習(xí)手術(shù)步驟，從而預(yù)測并減少手術(shù)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(shù)可用于打印結(jié)構(gòu)復(fù)雜的三維解剖模型,。此類模型模擬生物力學(xué)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(fù)制血管,、心臟、肌肉或皮膚等柔軟組織,。

ACEO® 3D打印技術(shù)可用于復(fù)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(xué)領(lǐng)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(xué),、診所和研究機構(gòu)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(nèi)的基礎(chǔ)產(chǎn)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(wǎng)絡(luò)商店上傳他們所需要的模型并下單訂購,。”日前,，ACEO®有機硅3D打印服務(wù)的中文網(wǎng)站和網(wǎng)上商店已經(jīng)正式上線,。

3、人工牙齦
牙科是3D打印迄今為止應(yīng)用最為成熟的醫(yī)療領(lǐng)域,，根據(jù)SmarTech Markets的研究預(yù)測,，2020年牙科與醫(yī)學(xué)領(lǐng)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(shù)可追溯到20年前,。當(dāng)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(jié)構(gòu),。之后，數(shù)據(jù)被傳送到CNC銑床或金屬3D打印機上生產(chǎn)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(nèi)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(fù)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(yīng)用,。人工牙齦在口腔種植領(lǐng)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�,；颊呖谇坏臄�(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(yīng)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(shù)，通過3D口內(nèi)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(zhì)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(shù)，但是已經(jīng)開始逐步有應(yīng)用落地,，未來在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用范圍會越來越廣,。利用3D打印對復(fù)雜形狀不敏感、無需開模等優(yōu)勢,，越來越多的創(chuàng)新設(shè)計正在涌現(xiàn),，生產(chǎn)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(jié)構(gòu)的優(yōu)勢實現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計，例如：解剖模型,、晶格結(jié)構(gòu)的使用,，以及機器人抓手等�,；�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(yīng)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(shù)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(chǎn)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(gòu)應(yīng)積極解決有機硅3D打印的標準制定問題。制造商應(yīng)與客戶緊密合作,，利用有機硅3D打印技術(shù)使生產(chǎn)變得更加靈活,，能夠?qū)Σ煌�需求快速做出響�?yīng)。

相信在不久的將來,，隨著包括有機硅在內(nèi)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(xué),、3D打印等技術(shù)的進步將繼續(xù)推動醫(yī)療行業(yè)迎來革命性的變化,。