陳賢明 陸國英 杭州新亞齒科材料有限公司 （杭州 310000）

0.引言

3D 打印技術(shù)作為新生事物，被譽(yù)為“第三次工業(yè)革命的重要標(biāo)志之一”[1]。該技術(shù)是一項(xiàng)具有工業(yè)革命意義的高新制造技術(shù)，代表了世界制造業(yè)發(fā)展的新趨勢，它使產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到制造之間僅隔“打印”按鈕的距離。2012 年8 月，美國總統(tǒng)奧巴馬撥款3000 萬美元，在俄亥俄州建立了國家級(jí)3D 打印研究中心，啟動(dòng)了“重振美國制造業(yè)計(jì)劃”。很多專家媒體也樂觀地認(rèn)為：3D 打印產(chǎn)業(yè)將成為下一個(gè)具有寬廣前景的朝陽產(chǎn)業(yè)。

1.3D打印的發(fā)展史

1.1 第一代：立體光固化成型打印機(jī)

立體光固化成型SLA（stereo lithography appearance），即用特定波長與強(qiáng)度的激光聚焦到液態(tài)的光固化材料表面，使之由點(diǎn)到線，由線到面的順序凝固，完成一個(gè)層面的繪圖作業(yè)。然后再移動(dòng)光波至另一個(gè)層面，層層疊加構(gòu)成一個(gè)三維實(shí)體。

1986 年，該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)明人創(chuàng)立3D Systems公司，并推出了第一臺(tái)SLA 商用3D 打印機(jī)。

1.2 第二代：熔融沉積成型打印機(jī)

熔融沉積成型FDM (Fused Deposition Modeling)工藝是通過將絲狀材料，如熱塑性塑料、蠟或金屬的熔絲從加熱的噴嘴擠出，按照零件每一層的預(yù)定軌跡，以固定的速率進(jìn)行熔體沉積。每完成一層，工作臺(tái)下降一個(gè)層厚進(jìn)行迭加沉積新的一層，如此反復(fù)最終實(shí)現(xiàn)零件的沉積成型。FDM 工藝的關(guān)鍵是保持半流動(dòng)成型材料的溫度剛好在熔點(diǎn)之上(比熔點(diǎn)高1?C 左右)。其每一層片的厚度由擠出絲的直徑?jīng)Q定，通常是0.25～0.50mm。

FDM 技術(shù)由Stratasys 公司的創(chuàng)始人與1989年發(fā)明，它的優(yōu)點(diǎn)是材料利用率高，材料成本低，可選材料種類多，工藝簡潔。缺點(diǎn)是精度低，復(fù)雜構(gòu)件不易制造，懸臂件需加支撐，表面質(zhì)量差。該工藝適合于產(chǎn)品的概念建模及形狀和功能測試，中等復(fù)雜程度的中小原型，不適合制造大型零件。

1.3 選擇性激光燒結(jié)打印機(jī)

選擇性激光燒結(jié)法SLS（Se1ected Laser Sintering），采用紅外激光器作能源，使用的造型材料多為粉末材料。加工時(shí)，首先將粉末預(yù)熱到稍低于其熔點(diǎn)的溫度，然后在刮平棍子的作用下將粉末鋪平；激光束在計(jì)算機(jī)控制下根據(jù)分層截面信息進(jìn)行有選擇地?zé)Y(jié)，一層完成后再進(jìn)行下一層燒結(jié)，全部燒結(jié)完后去掉多余的粉末，則就可以得到一燒結(jié)好的零件[2]。

至1992 年，DTM 公司售出第一臺(tái)SLS 打印機(jī)以來，該項(xiàng)技術(shù)并沒有占領(lǐng)太大的市場，主要由于SLS 有很多缺陷，比如在成型的過程中因?yàn)槭前逊勰Y(jié)，所以工作中會(huì)有很多的粉狀物體污染辦公空間。另外，產(chǎn)品存儲(chǔ)時(shí)間過長后會(huì)因?yàn)閮?nèi)應(yīng)力釋放而變形。對容易發(fā)生變形的地方設(shè)計(jì)支撐，表面質(zhì)量一般。生產(chǎn)效率較高，運(yùn)營成本較高，設(shè)備費(fèi)用較貴，能耗通常在8000瓦以上。

1.4 三維噴墨打印

三維噴墨打印是通過將液態(tài)連結(jié)體鋪放在粉末薄層上， 以打印橫截面數(shù)據(jù)的方式逐層創(chuàng)建各部件，創(chuàng)建三維實(shí)體模型。采用這種技術(shù)打印成型的樣品模型與實(shí)際產(chǎn)品具有同樣的色彩，還可以將彩色分析結(jié)果直接描繪在模型上，模型樣品所傳遞的信息較大。 三維噴墨打印的材料主要是一些高性能復(fù)合材料（高強(qiáng)打印粉）。

1993 年，麻省理工學(xué)院開發(fā)了在三維空間里的噴墨打印技術(shù)，開創(chuàng)了三維噴墨的新時(shí)代。獲得MIT 獨(dú)家授權(quán)的Z.corp.公司在95 年開發(fā)了第一臺(tái)高清彩色噴墨三維打印機(jī)。至2012 年，由Stratasys 公司開發(fā)的世界上最大的3D 噴墨打印機(jī)已經(jīng)可以打印1×0.8×0.5m 大小的物體。

目前，三維噴墨打印機(jī)是市場上精度最高，成型效果最好的高端打印設(shè)備。

2.3D打印在生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用

3D 打印在生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用主要體現(xiàn)在醫(yī)學(xué)模型快速建造、組織器官代替品制作、臉部修飾與美容等三方面。

2.1 醫(yī)學(xué)模型快速建造

醫(yī)學(xué)道具、模型、用品等材料可通過3D 打印獲得[3,4]。利用3D 打印技術(shù)，可將計(jì)算機(jī)影像數(shù)據(jù)信息形成實(shí)體結(jié)構(gòu)，用于醫(yī)學(xué)教學(xué)和手術(shù)模擬。

傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)教學(xué)模型制作方法時(shí)間長, 且搬運(yùn)過程容易損壞, 使用3D 打印技術(shù), 可有效減少制作時(shí)間，根據(jù)需要隨時(shí)制作，并降低搬運(yùn)損壞的風(fēng)險(xiǎn)。據(jù)報(bào)道, 美國某醫(yī)院在所實(shí)施的頭顱分離手術(shù)前，先使用3D 打印機(jī)造出了嬰兒連體頭顱模型，并對手術(shù)方案進(jìn)行充分的研究分析。他們將往常同類型手術(shù)72 小時(shí)縮短到了22 小時(shí)。

目前，3D 打印醫(yī)學(xué)模型已獲得較好的技術(shù)支持，具備一定的打印速度，能使用多種材質(zhì)進(jìn)行打印，應(yīng)用程度高，有著很好的應(yīng)用前景。

2.2 組織器官代替品制作

人體組織器官代替物的材料要求很高，實(shí)現(xiàn)難度大。但目前已有一些成功案例，比如復(fù)制人體骨骼, 制作義肢等[5]。比如，人體某塊骨骼缺失或損壞需要置換，首先可掃描對稱的骨骼，形成計(jì)算機(jī)圖形并做對稱變換，再打印制作出相應(yīng)骨骼。與傳統(tǒng)方法相比，該技術(shù)不需要先制作模具，可直接打印，建造速度較快。

這項(xiàng)技術(shù)可應(yīng)用于牙種植、骨骼移植等[6,7]。與此同時(shí)，微型人體肝臟也已被成功制造。德國研究人員利用3D 打印機(jī)等相關(guān)技術(shù)，制作出柔韌的人造血管，并能使血管與人體融合，并同時(shí)解決了血管免遭人體排斥的問題。

該技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用的深人將有助于解決當(dāng)前和今后人造器官短缺所面臨的困難。

2.3 臉部修飾與美容

利用3D 打印技術(shù)制作臉部損傷組織，如耳、鼻、皮膚、牙齒等[8,9]，可以得到與患者精確匹配的相應(yīng)組織，為患者重新塑造頭部完整形象，達(dá)到美觀效果。首先掃描臉部建立起3D 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)；醫(yī)生可以制作出患者所缺少的部位，重現(xiàn)原來面貌。比起傳統(tǒng)技術(shù)，該方法更精確，材質(zhì)選擇更加多樣化。據(jù)報(bào)道，一位左半邊臉上長著腫瘤的患者，在做了切除手術(shù)后臉上留下了一個(gè)大洞。醫(yī)生利用3D 打印技術(shù)為患者制作了一張假臉。制作中，首先全面掃描患者頭骨及面部，根據(jù)所得的結(jié)果分析并建立起原來的面部三維圖像，再打印輸出實(shí)物，通過使用特殊的材質(zhì)，再打印制作出與面部完美貼合并且栩栩如生的假臉。

3.結(jié)束語

3D 打印技術(shù)在醫(yī)療器械制造領(lǐng)域中仍然是一種新型技術(shù)，仍然存在著諸多的挑戰(zhàn)：

（1）3D 打印工藝技術(shù)在骨科植入物中應(yīng)用還不成熟，即使最為成熟的EBM 技術(shù)中電子束與粉末之間的相互作用、變形及殘余應(yīng)力控制、表面粗糙度、內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷的控制等關(guān)鍵技術(shù)問題和穩(wěn)定性仍然需要提高。

（2）“打印材料”研發(fā)是發(fā)展的難點(diǎn)，現(xiàn)在骨科器械領(lǐng)域常用的金屬材料為鈦合金粉末，由于受到材料的粒度分布、松裝密度、氧含量、流動(dòng)性等性能的影響，其他的金屬材料和高分子材料的打印技術(shù)仍然處在試驗(yàn)階段，對于具有活性的打印材料，如何維持細(xì)胞的活性及其功能的研究還是瓶頸技術(shù)。

（3）精度和效率都有待進(jìn)一步的提高。3D 打印的精度受到設(shè)備能力、打印材料性能、打印工藝水平等多方面限制，目前國內(nèi)3D 打印還難以實(shí)現(xiàn)高精度零部件直接成型，仍需要后期其他加工工藝的補(bǔ)充與配合，進(jìn)一步提高精度和效率尤為關(guān)鍵。

（4）多種不同特性和不同功能材料的復(fù)合打印技術(shù)有待突破，特別是在骨科器械領(lǐng)域需求尤為明顯，例如金屬與陶瓷的復(fù)合打印、金屬或陶瓷與高分子材料的復(fù)合打印，軟硬組織的復(fù)合打印，不同功能的活性組織在細(xì)胞級(jí)別的打印等。

（5）成本投入高。3D 打印設(shè)備價(jià)格昂貴，打印材料來源單一、工藝技術(shù)引進(jìn)難度大、效率和精度較低，日常維護(hù)費(fèi)用高等多因素都導(dǎo)致了現(xiàn)階段的高投入和低產(chǎn)出，形成產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展和得到項(xiàng)目的專項(xiàng)扶持迫在眉睫。

但隨著3D 打印技術(shù)所支持材質(zhì)的增多，打印質(zhì)量的精細(xì)化，其應(yīng)用水平亦將得到進(jìn)一步提高，一定會(huì)有更加廣闊的天地。

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