劉若錦，李揮，邢娣娣，劉華，秦青，甄曉蘭(通信作者)

河北省藥品醫(yī)療器械檢驗(yàn)研究院 (河北石家莊 050227)

2019新型冠狀病毒(2019 novel coronavirus，2019-nCoV)是此前從未在人體中發(fā)現(xiàn)的冠狀病毒新毒株，在人體存在一定的潛伏期。由2019-nCoV引發(fā)的新型冠狀病毒肺炎(coronavirus disease 2019，COVID-19)疫情自發(fā)生以來在全球迅速蔓延，嚴(yán)重威脅著人們的生命安全[1]，而具有一定傳染性的無癥狀感染者和“德爾塔”“奧密克戎”等新型變異株的出現(xiàn)使疫情形勢更加嚴(yán)峻。目前，臨床尚無治療COVID-19的確切方法，因此，做好對疫情的防控工作十分重要，而如何利用新技術(shù)、新方法對疫情進(jìn)行有效的防控成了當(dāng)下的熱點(diǎn)研究方向。

自3D打印技術(shù)問世以來，其因具有價(jià)格相對低廉、易于快速轉(zhuǎn)化實(shí)物等優(yōu)點(diǎn)，正逐漸發(fā)展成為一種先進(jìn)的生物制造技術(shù)[2]，在建筑、航空航天工程和機(jī)器人工程等眾多領(lǐng)域受到極大的關(guān)注，尤其是在醫(yī)學(xué)和健康科學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[3-5]，且其對COVID-19的防控也表現(xiàn)出了一定的應(yīng)用潛力。本文即就3D打印技術(shù)在COVID-19防控領(lǐng)域的研究進(jìn)展作一綜述，并分析3D打印技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。

1 個(gè)人防護(hù)領(lǐng)域

2019-nCoV可以通過呼吸道飛沫傳播，咳嗽和打噴嚏均可傳播病毒。此外，病毒可以在物體表面存活一段時(shí)間，健康人與受感染物體或患者發(fā)生身體接觸均存在感染風(fēng)險(xiǎn)。口罩和其他個(gè)人防護(hù)裝備(personal protective equipment，PPE)為防止病毒傳播的屏障[6]，而在COVID-19大流行期間，應(yīng)用3D打印技術(shù)可成功制備出口罩和其他PPE。

1.1 防護(hù)口罩

Ishack和Lipner[7]以聚乳酸(polylactic acid，PLA)為原料采用3D打印熔融沉積建模(fused deposition modelling，F(xiàn)DM)技術(shù)成功制備出防護(hù)口罩(圖1)。該P(yáng)LA防護(hù)口罩的結(jié)構(gòu)緊湊，對微生物(包括病毒)大小的顆粒具有足夠的屏障保護(hù)作用。研究發(fā)現(xiàn)，96%乙醇、70%異丙醇和0.85%次氯酸鈉消毒劑均能夠徹底清除葡萄球菌、大腸桿菌、白色念珠菌和2019-nCoV對該口罩表面的污染；且采用激光掃描技術(shù)掃描可以獲得精確掃描的面部參數(shù)。與普通防護(hù)口罩相比，通過3D打印技術(shù)制備的口罩具有更高的舒適度和貼合度。

注：A為聚乳酸原料;B為直徑為10 cm的圓板;C～E為不同類型的聚乳酸口罩

Goswami等[6]采用3D打印FDM工藝開發(fā)了一種帶有石墨烯(fluorinated graphene，fG)空氣過濾器的口罩(圖2)。fG具有較高的比表面積與體積比，以增強(qiáng)口罩抗病毒和抗菌性能。研究發(fā)現(xiàn)，該3D打印口罩可達(dá)到98.2%的細(xì)菌過濾效率和1.10 mbar的呼吸阻力；且通過測試該防護(hù)口罩對2019-nCoV顆粒的防護(hù)有效性，發(fā)現(xiàn)該口罩可以有效阻止病毒傳播。

注：A為3D打印口罩的各個(gè)部件；B為帶有石墨烯空氣過濾器的3D打印口罩

1.2 防護(hù)面罩

當(dāng)面罩與口罩和護(hù)目鏡共同使用時(shí)，面罩可立即將絕大多數(shù)可能具有傳染性的飛沫保持在合理的物理距離，而口罩和護(hù)目鏡則可進(jìn)一步加強(qiáng)局部保護(hù)作用。但是，當(dāng)同時(shí)佩戴傳統(tǒng)的面罩和護(hù)目鏡，特別是長時(shí)間佩戴時(shí)，既不方便又不舒適，而采用3D打印技術(shù)制備的面罩可在滿足COVID-19防護(hù)需求[7]的同時(shí)，為醫(yī)護(hù)人員提供更舒適的使用體驗(yàn)。

Armijo等[8](圖3)和Lemarteleur等[9](圖4)以易于獲得且價(jià)格低廉的PLA作為原料，采用3D打印技術(shù)分別成功制備了防護(hù)面罩。該類面罩結(jié)構(gòu)類似，頭部固定部分均由兩個(gè)拱門和固定帶組成，可起到有效防護(hù)的作用；且其更加透明、輕便，可提供較高的光學(xué)清晰度和舒適度。

注：A為覆蓋范圍(可以延伸到下巴以下)；B為面罩成品

圖4 由兩個(gè)拱門組成的3D打印聚乳酸面罩

Celik等[10]基于有限元分析的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過FDM的3D打印方式成功實(shí)現(xiàn)了一種重量更輕、更符合人體工程學(xué)且易于使用的醫(yī)用面罩設(shè)計(jì)(圖5)。與傳統(tǒng)面罩相比，該產(chǎn)品無需額外的組件(如松緊帶和夾子)即可組裝，且生產(chǎn)時(shí)間相對較短(≤45 min)。

圖5 基于有限元分析結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的3D打印面罩

Huang等[11]利用光敏樹脂、聚氯乙烯和熱塑性聚氨酯彈性體設(shè)計(jì)了一種針對眼睛和面部的組合保護(hù)面罩，其可以由3D打印技術(shù)快速制備。該面罩由護(hù)目鏡、鏡片、面罩和松緊帶4部分組成(圖6)，可以很容易地進(jìn)行組裝和拆卸，同時(shí)可對傳染液滴保持良好的防漏效果，為防護(hù)COVID-19等突發(fā)傳染病提供了更多的可能性。

注：A和B分別為眼睛-面罩組合效果圖和實(shí)物圖

2 診斷工具研究領(lǐng)域

目前，2019-nCoV的核酸檢測多是通過鼻咽拭子(nasopharyngeal swab，NP)與試管內(nèi)的病毒運(yùn)輸介質(zhì)結(jié)合來實(shí)現(xiàn)的，因此，對樣本的有效采集成了準(zhǔn)確檢測的有力保證。普通的NP的使用體驗(yàn)不佳，甚至?xí)斐筛蓢I、惡心等情況，影響樣本采集，因此，設(shè)計(jì)一種高效且引起的不良情況少的NP非常重要。

Ford等[12]設(shè)計(jì)了一種3D打印NP(圖7)，并經(jīng)在異丙醇中清洗以及進(jìn)行蒸汽滅菌，最后通過臨床驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)其能夠有效保證病毒載量，且可以維持3 d以上，完全滿足采樣需求。與普通的NP相比，使用該產(chǎn)品時(shí)患者更加舒適。

Gallup等[13]采用3D打印光固化技術(shù)制備了一種NP(圖8A)，且為了加快打印速度并減少原料使用，將該產(chǎn)品與貼合手柄聯(lián)合使用(圖8B)，滿足2019-nCoV樣本采集的性能要求，且其能夠承受比正常臨床使用中預(yù)期更大的力，為COVID-19核酸檢測試劑盒使用的標(biāo)準(zhǔn)NP提供了一種經(jīng)濟(jì)、快速的替代方案。

注：A為戴手套組裝鼻咽拭子;B為鼻咽拭子與貼合手柄配合使用

3 呼吸機(jī)及分離器設(shè)計(jì)領(lǐng)域

3.1 呼吸機(jī)

COVID-19會引起肺部組織纖維化而無法輸送足量氧氣，進(jìn)而導(dǎo)致呼吸困難，需要呼吸機(jī)來輔助患者呼吸[14-15]。Dhanani等[16]開發(fā)了一種新型低成本的3D打印便攜式機(jī)械呼吸機(jī)(圖9)，可用于呼吸衰竭患者。通過人體外試驗(yàn)和豬體內(nèi)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該呼吸機(jī)的機(jī)械效率與標(biāo)準(zhǔn)呼吸機(jī)相當(dāng)。此外，其還改進(jìn)了齒輪設(shè)計(jì)，為快速、大批量、經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)呼吸機(jī)等醫(yī)療設(shè)備提供了可行的替代方案。

圖9 3D打印便攜式機(jī)械呼吸機(jī)

3.2 分流器

為了防止飛沫傳播，需要患者之間保持足夠的距離，這會造成呼吸機(jī)呼吸回路延長，無效腔通氣增加，而為了確保有效的通氣，患者的吸入必須同步且體質(zhì)量相近，但在實(shí)際操作中無法實(shí)現(xiàn)。

注：A為設(shè)計(jì)尺寸；B為外觀；C為制造的成品

注：A為設(shè)計(jì)尺寸；B為外觀；C為制造的成品

4 輔助工具研究領(lǐng)域

4.1 器官模型

目前，利用3D打印技術(shù)已經(jīng)成功制備了器官模型[15]。例如，利用3D打印技術(shù)制備的耳鼻喉模型，可模擬正常和病理的聲帶，被用于內(nèi)鏡手術(shù)的培訓(xùn)中[16]，有助于對COVID-19取樣人員進(jìn)行培訓(xùn)。

Chee等[17]利用3D打印技術(shù)成功制備了鼻模型(圖12)，該模型具有解剖學(xué)變異，能夠再現(xiàn)普通人群的真實(shí)鼻腔結(jié)構(gòu)，且其使用的彈性材料能夠再現(xiàn)真實(shí)鼻子的質(zhì)感。通過使用3D打印鼻模型，可幫助拭子熟悉鼻咽解剖，從而有助于進(jìn)行真實(shí)、有效和安全的鼻拭子訓(xùn)練，且有助于確保拭子結(jié)果盡可能準(zhǔn)確。

注：A和B分別為外部視圖和內(nèi)鏡(內(nèi)部)視圖

4.2 氣管內(nèi)管夾

由氣管內(nèi)管引起的氣溶膠排放會增加醫(yī)護(hù)人員接觸病毒的風(fēng)險(xiǎn)，因此，建議在未連接過濾通氣回路時(shí)鉗住氣管內(nèi)管，以減少氣溶膠顆粒的擴(kuò)散。Jacob等[18]設(shè)計(jì)了一種3D打印氣管內(nèi)管夾，可實(shí)現(xiàn)在插管和拔管過程中進(jìn)行收緊和打開(圖13)，為保護(hù)醫(yī)護(hù)人員的健康提供保障。

注：A為實(shí)物圖；B為根據(jù)需要松開；C為根據(jù)需要夾緊

4.3 開門器和門鉤

電梯按鈕、電話、電腦鼠標(biāo)和鍵盤等已受2019-nCoV污染的設(shè)備亦會引起COVID-19的傳播。研究發(fā)現(xiàn)，2019-nCoV在不銹鋼表面可以存活72 h[19]。為了避免接觸受2019-nCoV污染的設(shè)備表面，F(xiàn)ran?ois等[20]選用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，利用3D打印FDM技術(shù)制備了免提開門器和門鉤，將免提開門器固定在門把手上，用前臂或肘部即可開門(圖14)；考慮到一些門把手的幾何形狀不允許安裝免提開門器，還開發(fā)了一種由易于伸縮的護(hù)套保護(hù)的門鉤(圖15)。此類設(shè)備易于安裝、清潔和消毒，可有效降低開門時(shí)病毒傳播的風(fēng)險(xiǎn)。

圖14 使用扎帶在兩種門把手上安裝的免提開門器

圖15 處于關(guān)閉(左)和打開(右)狀態(tài)的門鉤

5 總結(jié)及展望

COVID-19疫情的出現(xiàn)挑戰(zhàn)了現(xiàn)有技術(shù)的極限，同時(shí)加速了各個(gè)領(lǐng)域的創(chuàng)新。3D打印技術(shù)因具有個(gè)性化設(shè)計(jì)和制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)的能力和快速成型等優(yōu)點(diǎn)，在個(gè)人防護(hù)、診斷及輔助工具研究等多領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，如利用3D打印技術(shù)制備的防護(hù)用品，在保護(hù)醫(yī)護(hù)人員不受病毒侵害的同時(shí)極大地提高了佩戴的舒適度；利用3D打印技術(shù)制備的鼻模型，有助于確保拭子采樣盡可能的高效準(zhǔn)確。

需要注意的是，3D打印技術(shù)的應(yīng)用也存在一定的不足，如3D打印可用的材料有限且機(jī)械性能亟待改進(jìn)，在一定程度上限制了3D打印技術(shù)的應(yīng)用；與傳統(tǒng)的方法相比，利用3D打印技術(shù)制備的重復(fù)性產(chǎn)品大規(guī)模生產(chǎn)的相對時(shí)間較長；該技術(shù)目前仍缺乏一定的臨床試驗(yàn)支撐；此外，缺少明確的關(guān)于3D打印產(chǎn)品制造工藝和質(zhì)量檢測等方面的規(guī)范，為保證3D打印產(chǎn)品的可靠性和安全性，與之相應(yīng)的質(zhì)量評價(jià)機(jī)制和評審手段亟待建立。

我們相信，隨著新材料的開發(fā)和新技術(shù)的交叉合作，3D打印技術(shù)必將成為抗擊COVID-19的有力武器。