個性化、更精準：當有機硅遇上3D打印

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

航空工業(yè)與醫(yī)療產業(yè)是最先開始應用 3D打印的領域，目前，3D打印已經在這兩個方面實現了相當規(guī)模的應用。其中，醫(yī)療器械行業(yè)是3D打印最為重要的市場之一，它能實現個性化、精準化的醫(yī)療服務，需求量正在迅速增長，例如醫(yī)療模型、手術導板、牙科及骨科植入物、組織器官生物打印等逐漸進入臨床，部分已實現規(guī)�；�生產。

▲3D打印的主動脈瓣

根據美國咨詢公司Wholers Associates的數據，2000年以來，利用3D打印機定制生產的助聽器殼體和耳模已逾6000萬件。從人工髖關節(jié)到鈦顎骨再加上各種假肢，數十萬患者已經安裝了3D打印的骨科植入體。3D打印的手術導板讓手術更為精確，造福無數患者。如今每年約有10萬例膝關節(jié)置換手術是以這種方式進行。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數據，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打印機定制化生產的能力是一個福音。計算機輔助設計（CAD）軟件控制這些打印機，引導它們一層層地堆積材料來構建物體，醫(yī)學掃描的實際是CAD文件。傳統(tǒng)工廠中的工具更適合批量生產一模一樣的產品，而軟件改動起來則更快速、更經濟。

1、有機硅成功實現3D打印
材料的成熟度和擴展一直以來是3D打印技術發(fā)展的重要因素之一。在醫(yī)療領域，由于屬于非常特殊的一類應用領域，對于3D打印材料的物理化學特性、工藝流程、軟件等提出了更高的要求，尤其對材料與產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雜的注塑成型工藝：生產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。有機硅3D打印則實現了全新的部件設計。

有機硅3D打印可以覆蓋產品不同的生命周期，無需使用任何工具或模具，便可直接將數字模型轉換為實物，從而降低生產成本、節(jié)省生產時間、大幅縮短工藝周期，同時在產品開發(fā)期間快速改進產品；另一方面，有機硅3D打印還可對結構復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商，瓦克化學是全球很早進入開發(fā)有機硅3D打印技術的公司之一。瓦克ACEO® 3D打印技術是用于液體硅橡膠組件增材制造的工業(yè)級技術。其獨特的“按需噴墨”技術讓ACEO®可以實現充分的設計自由度，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打印技術應用于醫(yī)療領域，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)療模型在當今的醫(yī)療應用中具有顯著優(yōu)勢。它們在臨床訓練、手術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)療模型在臨床應用、大學及研究機構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)建具有復雜內部結構的有機結構，并且應用范圍廣泛。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)生可以使用成像數據3D打印患者的心臟，并在幾乎真實的條件下預習手術步驟，從而預測并減少手術過程中的突發(fā)問題。

ACEO®獨特的基于有機硅彈性體的“按需噴墨”技術可用于打印結構復雜的三維解剖模型。此類模型模擬生物力學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，尤其適用于復制血管、心臟、肌肉或皮膚等柔軟組織。

ACEO® 3D打印技術可用于復制人體器官，制造具有生物相容性的硅橡膠組件，此類組件在科學領域和醫(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了解剖模型所能達到的極致逼真度。瓦克與多家大學、診所和研究機構的專家共同開發(fā)了一個包括血管、主動脈弓、主動脈瓣和三尖瓣模型在內的基礎產品系列，并計劃在大眾市場上推廣�？蛻艨梢灾苯佑嗁徤鲜瞿Ｐ�，也可以通過ACEO®網絡商店上傳他們所需要的模型并下單訂購�！比涨�，ACEO®有機硅3D打印服務的中文網站和網上商店已經正式上線。

3、人工牙齦
牙科是3D打印迄今為止應用最為成熟的醫(yī)療領域，根據SmarTech Markets的研究預測，2020年牙科與醫(yī)學領域的3D打印市場規(guī)模有望達到45.44億美元。牙科的數字化技術可追溯到20年前。當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結構。之后，數據被傳送到CNC銑床或金屬3D打印機上生產定制的牙冠。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用。人工牙齦在口腔種植領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�；颊呖谇坏臄底钟∮浐臀锢碛∮浂伎色@得，但真實牙齦的柔軟和敏感是無法進行數字化計算的。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，通過3D口內掃描儀獲取數據時，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，但是已經開始逐步有應用落地，未來在工業(yè)領域應用范圍會越來越廣。利用3D打印對復雜形狀不敏感、無需開模等優(yōu)勢，越來越多的創(chuàng)新設計正在涌現，生產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結構的優(yōu)勢實現創(chuàng)新設計，例如：解剖模型、晶格結構的使用，以及機器人抓手等�；�于MRI或CT數據的有機硅3D打印展示了無限的可能性。未來，各種新應用將層出不窮。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，市場上出現了一些低性能產品，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)會等機構應積極解決有機硅3D打印的標準制定問題。制造商應與客戶緊密合作，利用有機硅3D打印技術使生產變得更加靈活，能夠對不同需求快速做出響應。

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