細說增材制造技術如何為日益龐大的獸醫(yī)行業(yè)帶來利好？

導讀：寵物被認為是人類最好的朋友，在我們的生活中占據了很大的位置。當前最受歡迎的動物類型包括狗、貓、魚和鳥等。與以往相比，如今家庭中的動物數(shù)量明顯增加。據統(tǒng)計，在2016年全球預計有7680萬只狗和5840萬只貓被收養(yǎng)，但僅僅四年后，這一數(shù)字就分別上升到8370萬和6000萬。

增材制造已被證明可以應用到包括獸醫(yī)學在內的許多領域，這已不是什么秘密。獸醫(yī)學是經濟中一個龐大且不斷增長的部分，僅在美國，目前就有大約12萬名獸醫(yī)從業(yè)者來為動物解決各種醫(yī)療狀況和條件。因此，隨著寵物數(shù)量的增加，整個行業(yè)的價值也在增加，這一點并不奇怪。根據Grand View Research, Inc.的一份報告，到2028年，全球獸醫(yī)活動市場預計將達到1144億美元。然而，現(xiàn)在不僅有獸醫(yī)利用3D打印技術來治療動物，而且商業(yè)公司也在努力開發(fā)新的應用，以便他們也能夠幫助動物。然而，3D打印在這個領域的局限性和可能性是什么，它又是怎樣實施的？

△增材制造在獸醫(yī)學市場上的應用越來越普遍。在這里，你可以看到為狗的下顎設計的假體（圖片來源：Johnny Uday博士）。

獸醫(yī)對增材制造技術的使用

當把他們的小動物帶到最近的獸醫(yī)診所時，沒有一個寵物主人會高興。然而，除了令人討厭的健康問題，往往還有其他問題，比如高額的治療費用（假體或矯形器，以及其他必要的治療、漫長的等待時間、或者沒有為寵物提供匹配到合適的治療產品。值得慶幸的是，有了3D打印技術，許多問題都可以得到解決。此外，材料開發(fā)方面的創(chuàng)新使更多的材料得以開發(fā)，滿足了該領域的各種需求。因此，這些材料能夠帶來許多好處，如降低成本、縮短等待時間，還能實現(xiàn)高度的定制化。然而，創(chuàng)新方法也可以塑造和簡化寵物治療所需的各個步驟。通常，PEEK、PEKK等材料，以及用于外科手術的牙科塑料，如尼龍、PLA和PVA等，在增材制造中都有應用。

增材制造技術在獸醫(yī)學中的具體應用

要更深入地了解增材制造如何在獸醫(yī)學中的應用，首先要了解傳統(tǒng)方法。例如，獸醫(yī)用于治療的許多傳統(tǒng)方法與人類醫(yī)學中使用的方法相似，有時甚至需要聚焦到細枝末節(jié)。然而，盡管動物與人類的治療有相似之處，但我們必須記住，有些治療方案根本不可能。通常情況下，在進行手術或制作假體之前的第一步是掃描。一些動物由于本能和其他問題（特別是與能夠靜止不動有關的問題）而不適合使用標準的獸醫(yī)CT掃描儀，第一個挑戰(zhàn)已經出現(xiàn)在這里，這時我們就可以看到轉向3D技術的好處。

傳統(tǒng)的動物醫(yī)生會使用鎮(zhèn)靜劑，即使用鎮(zhèn)靜劑來安撫中樞神經系統(tǒng)的功能，但這也需要支出高成本和時間。有了3D掃描，不僅可以快速進行掃描，也不需要鎮(zhèn)靜劑，而且還可以以高度的精度進行掃描。由于這是一個便攜式的設備，它可以毫無阻礙地掃描任何種類的動物，而不像傳統(tǒng)的CT掃描機面對那些危險的動物（如鱷魚或生活在水中的動物）就毫無用武之地了。

三維掃描短吻鱷（Mister Stubbs）是應該很好的說明案例，2013年科學家在一輛半掛車上發(fā)現(xiàn)了一只斷了尾巴的鱷魚。雖然這看起來微不足道，但鱷魚的尾巴不僅用于在水中移動和轉向，而且脂肪也儲存在尾巴的根部，對動物的健康至關重要。為了幫助鱷魚復原，位于亞利桑那州格蘭岱爾的中西部大學使用Artec三維掃描儀掃描了一條最近死亡的鱷魚的尾巴。研究人員按照Stubbs的確切尺寸進行了些許改造，使用3D掃描捕捉到了尾巴的所有細節(jié)，最終為它創(chuàng)造一個新的尾巴。

△使用傳統(tǒng)方法，可能無法獲得如此精確的尾巴圖像（圖片來源：STAX3D via Artec）。

增材制造的個性化定制

當涉及到動物治療時，獸醫(yī)和動物醫(yī)院可以通過使用增材制造實現(xiàn)廣泛的積極效益。僅舉幾例，它可用于生產假肢、矯形器、植入物、牙齒部件或甚至適合手術前的定制模型。考慮到由于不同動物物種的不同生物條件和需求，需要考慮的因素數(shù)量增加到無法估量，其好處是顯而易見的。例如，像狗這樣的動物，其解剖結構在不同的品種之間有很大的不同：例如，你把一只成年的紐芬蘭犬和一只臘腸犬進行比較就會發(fā)現(xiàn)很大的差異。很明顯，治療的個性化是非常必要的。

3D打印的矯形器和假肢可以維持五年之久，這也進一步促進了該技術在獸醫(yī)學中的應用。打印的夾板附著在動物身體上，作為一種矯形輔助工具，使關節(jié)、骨骼甚至肌肉都能得到緩解、穩(wěn)定或糾正。其中一個案例就是動物醫(yī)生為一只三個月大的貓制作的3D打印假肢，這個小貓出生時胸壁有罕見的先天性畸形。獸醫(yī)博士MatteoZanfabro求助于3D打印技術，來幫助解決這只貓的有可能致命的畸形。治療的夾板由PETG制成，用Ultimaker S3進行3D打印，不僅可以根據小貓的大小和畸形情況進行單獨調整，而且在此過程中還可以考慮到動物的成長。為了提供必要的穩(wěn)定性，夾板用手術線封閉，并裝有填充物。3D打印技術的優(yōu)勢在這里得到了體現(xiàn)：在使用增材制造的夾板后，這只小貓沒有再出現(xiàn)運動障礙。

△3D打印夾板、假肢和矯形器不僅可以簡化動物的生活，還可以拯救它們（圖片來源：Matteo Zanfabro via PlayVet)

但這還不是全部。在他們的工作過程中，來自科希策斯洛伐克科技大學的一個研究小組一直在解決增材制造在獸醫(yī)正畸領域的好處問題。以一只15個月大的拉布拉多犬為例，它在玩耍時掉了一顆對進食很重要的牙齒，他們展示了使用增材制造的可能性。由于這顆牙齒不會再長出來，但對防止營養(yǎng)不良也至關重要，因此需要一個個性化的解決方案。他們對這只年輕狗的下巴上仍然存在的同樣的牙齒進行了掃描，以便利用金屬3D打印技術將這一掃描結果制造成一個植入物。在這種情況下選擇增材制造的原因之一是，一方面可以進行精確的掃描，另一方面，打印必須非常精確，因為新制作的牙齒必須完美地融入現(xiàn)有的牙齒間隙中。經過再生階段，這只拉布拉多犬的增材制造牙齒甚至比它的天然牙齒更硬、更耐用。

考慮到動物的牙齒問題，5年前開始采用增材制造技術的獸醫(yī)Johnny Uday博士對其他潛在的挑戰(zhàn)提出了見解："牙齒問題非常普遍，破壞了許多寵物的下顎，導致骨裂（大洞）的斷裂。然而，由于狗的體型各不相同，標準化的鋼板可能太大或者太笨重，造成的損害比幫助更大。因此，這項技術的一個很好的應用是開發(fā)個性化定制的鋼板，這樣你就可以有一個完美的配合和尺寸，甚至可以規(guī)劃鉆孔，以避免損壞牙根、血管束、神經、淋巴系統(tǒng)和其他對正常功能和正常愈合至關重要的結構。"

△由于有了3D打印的牙齒，這只狗又可以吃東西了（圖片來源：TU Košice)

此外，獸醫(yī)學中的快速成型制造非常適合于創(chuàng)建手術和解剖模型。在這里，手術模型特別有助于獸醫(yī)實現(xiàn)更好的手術效果，同時可以大大減少手術時間。具體來說，這些是3D打印的模板，包含各自動物患者的精確切割平面和孔，允許外科醫(yī)生提前在這些模板上進行練習。這不僅適用于難度大和罕見的手術，也適用于骨科損傷，如十字韌帶撕裂，甚至先天性肢體問題。解剖模型可以區(qū)分為針灸、器官、骨骼甚至運動模型，也給獸醫(yī)提供了很大的幫助。然而，這些三維模型不僅是獸醫(yī)的優(yōu)勢，也是學生和未來獸醫(yī)的優(yōu)勢，并相應地起到學習和研究的作用。

當增材制造被應用于獸醫(yī)學時，它對狗、貓、雞或牛都起到了很大的作用。然而，對于小型動物，如吉娃娃、青蛙或倉鼠，這就比較復雜了。Johnny Uday博士解釋說，其原因是它們的解剖結構很小，這使得創(chuàng)建切口指南以及植入物比大型動物更具挑戰(zhàn)性。然而，當涉及到在工作流程中應用3D打印技術時，最大的挑戰(zhàn)可能是如何能夠學好這項技術。Johnny Uday博士指出，對各種軟件以及3D打印用生物材料的學習至關重要。

商業(yè)公司對獸醫(yī)用增材制造技術的開發(fā)

雖然已經有許多獸醫(yī)在利用增材制造，但企業(yè)也發(fā)現(xiàn)了這個領域的巨大潛力。因此，在獸醫(yī)領域使用增材制造技術的公司名單正在增加。僅舉幾例：Think3DDD、PlayVet、CABIOMEDE、DiveDesign或甚至Formlabs和Artec3D。在這種情況下，獸醫(yī)和商業(yè)公司之間存在的主要區(qū)別主要是教育背景，在商業(yè)公司工作的個人主要持有工程學位，而獸醫(yī)當然持有獸醫(yī)學學位。此外，二者的背景也不同：公司制造和銷售這些產品，并因此為自己開發(fā)了一個市場，提供他們的服務和產品性能。相比之下，獸醫(yī)借助增材制造來更有效地工作，改善他們的工作流程，以及將增材制造作為整體的一部分。然而，盡管教育背景不同，但目標是相同的，那就是利用增材制造拯救動物生命或簡化救治流程。

位于柏林的Think3DDD由TinoJacobi創(chuàng)立，他解釋說：“由于3D打印醫(yī)療器械的高度定制化，所以學科交叉是必要的，這就是為什么我們與治療的獸醫(yī)合作非常密切。因此，我們根據獸醫(yī)提供的信息制造一個合適的矯形器或假體，而獸醫(yī)則陪同治療。"

NordicVet3D公司的所有者AlexanderThen則表示，市面上仍有大量的獸醫(yī)不采納增材制造技術。他解釋說："除了經濟原因外，我看不出有什么理由不使用它們。3D打印的優(yōu)勢比比皆是，例如，我們可以檢查我們想要使用的螺釘和鋼板是否是最適合每個人的情況。這最大限度地減少了失敗或需要重新手術的風險，而重新手術與死亡率和發(fā)病率的增加有關。它還被證明可以減少手術時間，從而減少手術的實際成本。"

就過程、技術和過程中使用的材料而言，第一步是3D掃描，由于有掃描應用程序，甚至可以用智能手機完成。一旦進行了掃描，無論是在公司所在地還是在獸醫(yī)那里，軟件被用來開發(fā)數(shù)字圖像，例如，假體或矯形器。經過3D打印和后期處理后，可以直接佩戴。當使用FDM/FFF技術時，可以使用多種不同厚度的熱塑性聚氨酯塑料（TPU）、聚丙烯（PP）、聚對苯二甲酸丁二醇酯（PET）和其他材料。

△在Think3DDD，通過智能手機進行掃描，然后生成文件，最后進行3D打印（圖片來源：Think3DDD）

增材制造在獸醫(yī)學中的局限性

雖然增材制造在獸醫(yī)學中的應用所帶來的好處遠遠超過了問題和挑戰(zhàn)，但這一領域的應用仍然存在著局限性。盡管用于動物的可植入材料的范圍已經非常廣泛，但相比之下，生物相容性材料的選擇仍然非常有限。此外，在增材制造的植入物中形成的生物膜是主要問題之一。這種生物膜是一種細菌的聯(lián)合體，特別具有抵抗力，而且難以清除。由于這樣的生物膜現(xiàn)在也可以在3D打印的植入物上形成，Uday博士認為這里的挑戰(zhàn)特別大。

談到增材制造在獸醫(yī)領域的其他挑戰(zhàn)，PlayVet公司的Matteo Zanfabro指出，獸醫(yī)工作中使用如此多的不同材料，本身就是一個挑戰(zhàn)。重要的是要清楚，根據不同的應用，材料必須包含從非常堅硬的塑料到可降解材料的各種特性。特別是由于總是需要在質量和生產時間之間找到最佳的折衷辦法。Matteo Zanfabro還提到，制造商的3D打印規(guī)格與實際結果不符是一個問題，這就是為什么他們需要嘗試、測試和驗證每種材料和每個制造商，以確保材料適合產品和加工。這個過程不僅耗時，而且成本很高，這種類型的質量測試需要幾周時間。

需要承認的是，由于增材制造技術的出現(xiàn)，許多動物的生命已經得到了拯救，而且這個名單還在不斷地增加！這就是增材制造的作用。雖然對于商業(yè)公司和獸醫(yī)來說，有更容易和更難解決的案例，但當下的一切挑戰(zhàn)也為增材制造在獸醫(yī)學內的應用提供了新的機會。