瓦克化學(xué)：按需噴墨有機(jī)硅膠3D打印技術(shù)，醫(yī)療創(chuàng)新新利器

△瓦克化學(xué)業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理 張崇峰分享了“有機(jī)硅3D打印創(chuàng)新型解決方案”

2019年5月23日,，有機(jī)硅3D打印方案提供商瓦克化學(xué)，在廣州舉辦的第二屆生物醫(yī)療3D打印發(fā)展高峰論壇上,，做了“有機(jī)硅3D打印創(chuàng)新型解決方案”的演講分享,，現(xiàn)場(chǎng)上百名聽眾受益,。


知識(shí)背景

有機(jī)硅，是一種在醫(yī)療行業(yè)應(yīng)用廣泛的高分子彈性體,，其最大優(yōu)點(diǎn)是成分簡(jiǎn)潔,，安全可靠，具有良好的生物相容性,。相較于其他材料,，它具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：與PVC 材料相比，有機(jī)硅材料不需要添加增塑劑就可以達(dá)到很柔軟的效果,；與乳膠材料相比,，有機(jī)硅材料沒有致敏的風(fēng)險(xiǎn)；與熱塑性彈性體材料相比,，有機(jī)硅材料具有更可靠的耐溫,、耐壓變性能。同時(shí),，有機(jī)硅材料本身具有固,、液兩大形態(tài)，適用于多種成型工藝,，能夠很好地適應(yīng)醫(yī)療行業(yè)紛繁復(fù)雜的加工需求,。

△醫(yī)療級(jí)硅膠，擠出,、注塑,、雙色注塑、3D打印等各種生產(chǎn)工藝的對(duì)比


△有機(jī)硅3D打印樣件

瓦克化學(xué),，是一家擁有70 多年歷史的有機(jī)硅材料供應(yīng)商,，也是全球很早進(jìn)入有機(jī)硅開發(fā)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(jí)技術(shù),。憑借其獨(dú)特的“按需噴墨”技術(shù),，ACEO® 可確保充分的設(shè)計(jì)自由度，用于打印高功能性部件,，同時(shí)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。采用ACEO® 技術(shù)打印而成的硅橡膠組件廣泛應(yīng)用于汽車,、航空航天,、醫(yī)療、設(shè)備行業(yè)以及機(jī)械工程等眾多關(guān)鍵行業(yè),。


一般情況下,，有機(jī)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(zhǔn)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(guò)高,，只適合大規(guī)模生產(chǎn),。
有機(jī)硅3D 打印則實(shí)現(xiàn)了全新的部件設(shè)計(jì)：

• 可以覆蓋產(chǎn)品不同的生命周期，無(wú)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(shí)物,。
  

這種方法降低生產(chǎn)成本、節(jié)省生產(chǎn)時(shí)間,、大幅縮短工藝周期，同時(shí)在產(chǎn)品開發(fā)期間快速改進(jìn)產(chǎn)品,；另一方面,，有機(jī)硅3D 打印還可對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的功能性部件和原型件進(jìn)行功能整合。


△ACEO®技術(shù)基于“按需噴墨”打印原理,。打印頭將有機(jī)硅微液滴（體素）逐滴沉積在工作平臺(tái)上,，然后液滴相互融合，形成均質(zhì)有機(jī)硅層,。每打印一層有機(jī)硅,，系統(tǒng)將立刻使用紫外光將整個(gè)有機(jī)硅層固化。


通過(guò)使用支撐材料來(lái)生產(chǎn)飛檐或孔洞等復(fù)雜結(jié)構(gòu),，便能逐層打印出三維物體,。打印完成后，將物體從工作平臺(tái)上移除,，并用水將支撐材料沖洗掉即可,。隨后將物體二次硫化，以便去除揮發(fā)物,，并實(shí)現(xiàn)最終的機(jī)械性能,。

△瓦克化學(xué)的硅膠3D打印系統(tǒng)



△有機(jī)硅3D打印產(chǎn)品的性能。聚合物的粘度較高,，這意味著每層厚度通常為 0.4 毫米,。因此，打印出來(lái)的物體由四個(gè)不同的表面組成：工作平臺(tái)上的底面（1）,、由最后一層形成的頂面（2）,、層狀結(jié)構(gòu)的側(cè)壁（3）以及與支撐材料相接觸的表面（4）。為了實(shí)現(xiàn)不同的粗糙度,，需使用兩種支撐材料,。從原則上來(lái)說(shuō)，打印完成后,，可以在部件表面覆膜,，以提升其外觀。


硅膠3D 打印解剖模型


△ACEO® 獨(dú)特的基于有機(jī)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(dá)到了前所未有的水平,。有機(jī)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,、肌肉或皮膚等柔軟的組織。

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(zhǎng)。近期,，瓦克ACEO® 團(tuán)隊(duì)推出了解剖模型系列,。它與多家大學(xué)、診所和研究機(jī)構(gòu)的專家共同開發(fā)了一個(gè)包括血管,、主動(dòng)脈弓,、主動(dòng)脈瓣和三尖瓣模型在內(nèi)的基礎(chǔ)產(chǎn)品系列，并計(jì)劃在大眾市場(chǎng)上推廣,。

解剖模型在當(dāng)今的醫(yī)療應(yīng)用中具有顯著優(yōu)勢(shì),。它們?cè)谂R床訓(xùn)練、手術(shù)計(jì)劃可視性和模擬性,、病情告知以及醫(yī)療器械開發(fā)過(guò)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,，解剖模型在臨床應(yīng)用,、大學(xué)及研究機(jī)構(gòu)中扮演著越來(lái)越重要的角色。


硅膠3D打印牙科應(yīng)用

近期,，慕尼黑口腔修復(fù)綜合醫(yī)院的牙科實(shí)驗(yàn)室在一個(gè)項(xiàng)目中選用了ACEO®來(lái)進(jìn)一步推動(dòng)增材制造的人工牙齦的應(yīng)用,。人工牙齦是牙冠生產(chǎn)過(guò)程中的植入物�,；颊呖谇坏臄�(shù)字印記和物理印記都可獲得,，但真實(shí)牙齦的柔軟和敏感是無(wú)法進(jìn)行數(shù)字化計(jì)算的。因此,，打造完美的牙冠需要一種更真實(shí)的牙齦模型,，其材料應(yīng)比石膏更柔軟并且可以改變形狀。

有機(jī)硅的特性與牙齦相似,。它們不可滲透并且通過(guò)了醫(yī)學(xué)分類IIa 測(cè)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(jī)硅加工的減材制造技術(shù)，通過(guò)3D 口內(nèi)掃描儀獲取數(shù)據(jù)時(shí)，創(chuàng)建實(shí)體模型的唯一方法是進(jìn)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(huì)影響觸感和機(jī)械性能,。它為制造人工牙齦提供了完美的解決方案。


硅膠3D 打印生物模型


生物模型是探索解剖結(jié)構(gòu)及其特性的醫(yī)學(xué)工程,。它可分為個(gè)人模型和通用模型,。個(gè)人模型可用于術(shù)前測(cè)試、假體制造或矯正手術(shù)等目的,。通用模型則具有教育功能,。

醫(yī)院和口腔頜面等外科醫(yī)生越來(lái)越多地對(duì)這些模型進(jìn)行單獨(dú)3D 打印。直至今日,，3D 打印材料的選擇仍然有限，因此這些模型僅可用于有限用途,。同時(shí),，諸如磁共振成像（MRI）和計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）等現(xiàn)代放射學(xué)程序提供的解剖學(xué)數(shù)據(jù)也可用于創(chuàng)建3D 打印有機(jī)硅模型。

3D 打印的生物模型可用于創(chuàng)建具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的有機(jī)結(jié)構(gòu),，并且應(yīng)用范圍廣泛,。有機(jī)硅彈性好、可變形且易于切割和縫合無(wú)疑也是一大優(yōu)勢(shì),。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(shí)的條件下預(yù)習(xí)手術(shù)步驟，從而預(yù)測(cè)并減少手術(shù)過(guò)程中的突發(fā)問(wèn)題,。


基于MRI 或CT 數(shù)據(jù)的有機(jī)硅3D打印生物模型提供了無(wú)限的機(jī)會(huì),。未來(lái)，各種新應(yīng)用將層出不窮,。例如,，通過(guò)3D打印的定制有機(jī)硅呼吸面罩和助聽器不久即將問(wèn)世。

前景與挑戰(zhàn)

有機(jī)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(lái)在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用范圍會(huì)越來(lái)越廣。利用3D打印對(duì)復(fù)雜形狀不敏感,、無(wú)需開模等優(yōu)勢(shì),，越來(lái)越多的創(chuàng)新設(shè)計(jì)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(lái)越多利用真正的3D 結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，例如：解剖模型,、晶格結(jié)構(gòu)的使用,，以及機(jī)器人抓手等。因此,，有機(jī)硅3D 打印仍有巨大的發(fā)展空間,。

但是，一項(xiàng)新技術(shù)的發(fā)展總是伴隨著阻礙,，由于市場(chǎng)對(duì)3D 打印的認(rèn)知不足和資格審查流程標(biāo)準(zhǔn)不明確,，市場(chǎng)上出現(xiàn)了一些低性能產(chǎn)品，損害了有機(jī)硅的聲譽(yù),。對(duì)于那些并非從傳統(tǒng)流程了解有機(jī)硅的用戶而言,，這種情況尤為嚴(yán)重。因此,，專業(yè)組織,、行業(yè)協(xié)會(huì)等機(jī)構(gòu)應(yīng)積極解決有機(jī)硅3D 打印的標(biāo)準(zhǔn)制定問(wèn)題。制造商應(yīng)與客戶緊密合作,，利用有機(jī)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)。（上文轉(zhuǎn)自瓦克化學(xué),、榮格塑料工業(yè)）

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