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面对传染性病毒,3D打印能做什么?

时间:2020-02-26 16:39:55  来源:三帝科技

有专家认为,在未来几十年里,如果有什么东西可以杀掉上千万人,那更可能是个有高度传染性的病毒,而不是战争;不是导弹,而是微生物[1]。在当前新冠肺炎爆发之际,更突显了公共卫生安全必须具有超前性,更希望人类能够行动起来,投入研发和系统应对体系,来应对现在和未来的突发传染病。LMx上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

作为3D打印行业的一员,我们需要思考的是,面对高度传染性病毒,3D打印能做什么贡献?LMx上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

大家知道,传统制造是量越大,每件制造成本越低,零件越复杂,每件制造成本越高。而3D打印无论批量大小、复杂程度如何,每件制造成本基本恒定。这就表明了3D打印的应用优势有两个大的方面:一是小批量多品种快速制造/定制,另一个是制造复杂部件。从市场来看,就如计算机刚开始主要用于工业控制一样,3D打印初始也是用于工业的,成为工程师、设计师等专业人士的模型设计工具;接下来就开始进入教育市场,从培养3D打印的使用到设计、创造,最终培养出一批具有增材思维和创造力的人才。随着3D打印技术和理念的普及和易用性的提升,它将进入广阔的规模化工业领域和广大家庭。LMx上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

在爆发疫情等特殊时期,对于护目镜、口罩、测温仪等必备的防护用具及医疗保障物资的制造,就可以发挥3D打印小批量、分布式、快速制造的特点,实现本地生产,就近服务,满足千人量级的日常使用需求。此外,还可共享数据模型,利用云制造平台(如三帝云制造www.topktec.cn)实现网络协同生产,提高并行生产效率,满足更大量级的批量需求。3D打印技术可以通过康复医疗器械、医学模型、手术导板、方舱医院建造、生物/器官打印、纳米机器人打印、药物研发等诸多方面,在抗击传染性病毒中发挥作用。LMx上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

1. 3D打印护目镜LMx上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

对于如新冠肺炎病毒这类具有飞沫传播感染性的病毒,护目镜成为战“疫”一线的医务人员及需与患者密切接触人员的必备防护用具。市场上常见的护目镜,开模时间长达14天,而利用FDM 3D打印技术生产的医用护目镜,不仅密封度高,且重量只有普通护目镜的3/4,还可根据个人面部数据实现私人化定制[2]。LMx上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

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图1 运用3D打印技术生产的医用护目镜[3]LMx上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

湖南云箭集团增材制造研究应用中心内的50余台FDM 3D打印机每日生产医用护目镜200余套。据了解,1月31日,这家公司利用原有成熟的3D打印技术,应急研制生产医用护目镜;2月7日,首批医用护目镜通过长沙市市场监督管理局备案准入;2月10日,这家公司生产的首批500套护目镜已发往长沙和怀化,驰援抗“疫”一线[3]。LMx上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

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图2 三帝科技3D打印车间一角LMx上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

3D打印定制个性化的防护用品,能提升防护效果。三帝科技采用原有成熟的FDM 3D打印技术,应急研制生产3D医用隔离防护镜,用于医疗机构中检查治疗时起防护作用,阻隔体液、血液飞溅或泼溅。规格型号齐全:YP-EM-S、YP-EM-M、YP-EM-L、YP-EM-C(定制)等。采用先进的EVA面部扫描系统,结合逆向工程软件设计出定制化的3D医用隔离防护镜,选取有良好生物相融性的材料进行3D打印,制造出来的3D医用隔离防护镜具有防雾化、舒适、完美贴合部位等特点。LMx上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

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图3 三帝科技3D医用隔离防护镜设计示意图及打印样LMx上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

2. 3D打印口罩LMx上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

口罩作为疫情防护中人体的“第一道防线”,其重要性不言而喻。而口罩的适配性、功能性、舒适性等因素,都会对其防护效果产生影响。LMx上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

根据佩戴者的头部、面部扫描数据,进行三维建模,再3D打印的个性化定制口罩,可保证口罩与佩戴者面部的充分贴合,极大提升口罩的适配性和相对密闭性。LMx上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

运用3D打印个性化定制的特点,可制作针对不同人群的专用口罩。2018年,波兰设计师巴特罗米奇·加克左雷科便联合一家3D打印服务商专门设计和制作了儿童专用的抗污染口罩,以保护儿童免受污染侵害。这款3D打印口罩的内置物可替换为活性炭、过滤棉等介质,轻量化设计令其佩戴起来轻巧舒适,可在一定程度上减少儿童对佩戴口罩的抵抗情绪[4]。LMx上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

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图4 3D打印儿童专用防护口罩[4]LMx上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

据了解,该款口罩采用的原料是PA12尼龙(用于硬质部件)和TPU(用于柔性部件),通过选择性激光粉末烧结(SLS)工艺打印而成[5]。LMx上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

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图5 3D打印口罩,外观神似《蝙蝠侠:黑暗骑士崛起》中的口罩[5]LMx上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

三帝科技结合3D打印技术优化口罩的结构设计,提升口罩的功能性。例如可更换式呼吸阀滤芯的设计,不仅利于口罩的清洁,也可延长口罩的使用寿命,降低使用成本。三帝科技医疗团队应急研发设计了分离式口罩固定装置,客户可将口罩分离装置与自己的口罩相结合,把一次性医用口罩夹在分离装置中使用。规格型号齐全:YFD-DM-MEN、YFD-DM-WOMEN、YFD-DM-CHILDREN、YFD-DM-CUSTOMIZE(定制)等。目前市面上可以看到可更换滤芯的口罩,材质为食品级硅胶和ABS、PLA塑料件,滤芯采用HEPA结构。如果选用适合的材料,采用3D打印技术来制作,将会是一种可以实现低成本、快速个性化定制的方式。LMx上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

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图6 可更换滤芯的口罩LMx上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

在防疫防护中,需要超长时间佩戴口罩,三帝科技旗下的七号科技通过3D打印的口罩辅助配件来提升佩戴的舒适性,缓解佩戴口罩造成的耳部疼痛,可调式卡扣设计可以根据个人头型调节佩戴的松紧度,让口罩更贴合,防护更到位,且不易滑落。LMx上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

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图7 七号科技万物打印ear carer 3D打印口罩伴侣LMx上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

日本设计师野崎靖采用3D打印技术设计了一款Maskal口罩架,其由柔软的硅胶制成,主要原理是较普通口罩增大了施力面,像戴眼镜一样的方式让口罩的摘戴更方便。口罩架中央贴住鼻子的部分撑出了额外的呼吸空间,令呼吸更顺畅,整体佩戴感更舒适[6]。LMx上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

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图8 3D打印口罩架[6]LMx上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

3. 3D打印手持式红外线测温仪LMx上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

手持式红外线测温仪(俗称“额温枪”)是防疫一线的医疗保障物资,如果开模具生产,开模时间最少要20天,在这段空档期内,3D打印免开模具小批量快速生产就发挥出了巨大的优势作用。重庆领航新智诚科技利用SLA 3D打印技术快速设计、迭代、试产、批产,10天内完成了2200套手持式红外线测温仪的外壳制造[7]。LMx上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

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图9 3D打印手持式红外线测温仪[7]LMx上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

4.3D打印隔离屋LMx上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

在抗击疫情中,专用隔离病房是疫情防控救治的必备硬件设施,3D打印可以发挥数字化建造的优势快速建造应急隔离屋,缓解抗疫一线的燃眉之急。2020年2月13日,盈创新材料捐赠的首批15套3D打印隔离屋运抵湖北咸宁中心医院,这批隔离屋可以用于新冠肺炎患者的入住。该建筑运用3D打印技术一体化成型,墙体与镂空的栅格成一体,面积约10平方米,高度为2.8米,采用壳体结构,整体受力均匀,具有快速制造、抗风抗震、保温隔热的效果,通电后即可使用,符合隔离需求[7]。LMx上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

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图10 3D打印隔离屋[7]LMx上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

3D打印隔离屋是一种健康、环保、可持续性的建造方式。材料利用率高,采用废弃物再生材料建造,增材制造的建造方式也大大减少了材料浪费;快速交付,平均打印一间隔离屋约需要2个小时,一天24小时可打印十几间。加上室内装修、水电、卫浴设施配备的时间,一个房屋从打印到交付大约需要两到三天时间;因地制宜,灵活安装,房屋可卡车运输、吊装且无需地基,不需要大规模施工,可满足病患人数较少的地区使用需求[8]。LMx上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

5. 3D打印医学类模型LMx上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

疫情爆发后,病毒研究和疫苗研制工作刻不容缓。通过CT(Computed Tomography,电子计算机断层扫描)或MRI(Magnetic Resonance Imaging,磁共振成像)等医学影像学数据,创建三维数字模型,并将模型3D打印成具体的实物,对于医学研究、病理分析、手术方案设计和预演、教学培训等,具有很强的临床实用价值。LMx上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

在新冠肺炎疫情爆发后,3D打印技术也迅速被应用到国内的病毒研究和疫苗研制的工作中。广州形优科技依照感染者确诊5天时的肺部病灶CT数据进行3D重建,采用PolyJet材料打印出了新冠病毒肺部感染病例的彩色模型,新冠病毒的毛玻璃状影像特征得以清晰呈现,帮助医学专家更直观地进行病例实体分析和演绎[9]。LMx上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

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图11 3D打印新冠病毒肺部感染模型[9]LMx上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

同时,上海科技大学免疫化学研究所和中国科学院上海药物研究所抗新型冠状病毒感染联合应急攻关团队也公布了2019-nCoV冠状病毒3CL水解酶(Mpro)的高分率晶体结构,供更多科技工作者,特别是药物研发人员使用[9]。早在2017年,中国科学院武汉病毒研究所便运用3D打印技术,利用病毒结构生物学的科研成果,制作了几种代表性的病毒模型,通过复原病毒结构的真实形貌,帮助大家更直观、生动地了解病毒[10]。LMx上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

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图12 新冠病毒模型[9]LMx上海资讯网——上海资讯类门户网站官网


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图13 几种3D打印病毒模型[10]LMx上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

6. 3D打印药物制剂LMx上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

自20世纪90年代初期以来,很多研究机构一直在进行对3D打印药物递送装置(drug delivery device,DDD)在药物制剂中应用的研究,直到2015年7月,全球首款由3D打印技术研发制备的左乙拉西坦速溶片(商品名:Spritam)获得美国食品药品监督管理局(FDA)批准上市,从而使3D打印技术在药物制剂领域获得了极大的关注。在药物制剂领域,3D打印技术具有空间分布精确、释放精准、药物剂量可控等优势,弥补了传统制药技术的不足,发展前景广阔。目前,应用在药物制剂领域的3D打印技术主要有黏结剂喷射技术(BJ)、材料挤压技术(FDM)、SLA。LMx上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

研究人员最早使用黏结剂喷射技术(BJ)进行3D打印片剂的开发工作,Katstra等使用黏结剂喷射技术,通过调节黏结剂或聚合物浓度,获得了与传统制造工艺硬度和脆碎度相当的片剂。Aprecia公司在收购麻省理工学院3D药物打印技术后,开发了名为 ZipDose的技术平台,并以3D打印的模式层层制备Spritam片剂,让儿童、老人或有精神障碍等吞咽困难的患者能够更好地服药。张惠檄等使用挤压式3D打印技术打印了不同形状的阿司匹林双层片,实验表明其较传统压制的阿司匹林双层片的缓释效果更好。Lu等采用 SLA 3D打印技术,以治疗皮肤癌的达卡巴嗪为模型药物,打印了由25根聚富马酸二羟丙酯微针组成的载药微阵列,以实现化疗药物的透皮给药[11]。LMx上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

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图14 包括5种药物的3D打印LMx上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

与传统药物制备工艺相比, 3D打印技术具有极高的可控性和灵活性,非常适合个性化制剂及创新型制剂的制造。虽然3D打印技术仍存在诸多技术及监管方面的挑战,但相信通过进一步的发展,目前存在的问题终会得以解决,3D打印将为医药发展带来新的机遇和希望,加速个性化、智能化给药时代的到来[11]。LMx上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

7. 纳米机器人3D打印LMx上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

当人体遇到病毒或细菌侵害时,就会产生免疫反应,比如发烧。如果遇到持续发烧,人们通常都会通过吃药、打针来进行治疗。如果可以往血液里植入一个纳米机器人,由它们来探测到发烧的原因,并可以直接对感染部位进行治疗,患者不就不用再忍受药片的苦味和扎针的疼痛了吗?LMx上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

2019年,美国科学家宣布一项纳米机器人实验的重大突破:借助光声断层成像技术,实时控制纳米机器人,让它们准确抵达人体某个部位(比如肠癌病人的肠道肿瘤处),实现药物递送,或对癌变细胞进行智能微手术。LMx上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

纳米机器人是一种借助最先进的芯片和纳米技术,在原子水平上精确地建造和操纵物体的机器人。而3D打印大批量个性化制造的优势,在微结构领域为大规模个性化制造提供了可能性。据悉,现在已经可以通过3D打印,一次制造出几十万个纳米机器人,在人类无法进行操作的分子层面上对原子和细胞结构实现一系列操作[12]。LMx上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

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图15 纳米机器人LMx上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

意大利Istituto Italiano di Tecnologia的研究人员利用纳米级3D打印开发了一种混合纳米技术设备,可以用来更好地了解药物如何穿透血脑屏障向中枢神经系统进发,帮助开发脑部疾病和肿瘤(脑癌,老年痴呆症,多发性硬化症等)的治疗方法[13]。LMx上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

微纳米3D打印是目前全球最前沿的先进制造领域之一,目前主流的微纳米3D打印技术分为双光子聚合TPP技术和面投影立体光刻技术(Projection Micro Litho Stereo Exposure)。该技术在复杂三维微纳结构、高深宽比微纳结构和复合(多材料)材料微纳结构制造方面具有很高的潜能和突出优势,而且还具有设备简单、成本低、效率高、可使用材料种类广、无需掩模或模具、直接成形等优点。LMx上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

8. 器官3D打印LMx上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

生物3D打印是指将细胞及生物水凝胶及生长因子等混合成生物墨水,通过3D打印的方式实现组织/器官的体外再造。该技术工艺可有效模拟组织/器官结构,在器官发育机制、病变机理、药物评价、再生修复等领域有众多应用[14]。LMx上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

虽然生物3D打印(载细胞打印)暂时还未真正进入临床应用,也仍有很多问题待深入研究,但我们依然可以看到其正处于一个高速发展的过程中。LMx上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

以色列特拉维夫大学研究人员利用患者细胞和生物材料首次成功设计和打印出了充满细胞、血管并有心室和心房的完整心脏。该3D打印人工心脏是以人体细胞和具患者特异性的生物材料作为生物打印原料制成。研究显示这种方法在未来的个性化组织和器官置换中具有潜力[15]。LMx上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

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图16 由患者细胞制成的3D打印小型人体心脏[16]LMx上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

英国纽卡斯尔大学(Newcastle University)组织工程学的研究员们利用人体细胞3D打印出了人造角膜。他们将一种由藻酸盐和胶原蛋白组成的“生物墨水”与人类的角膜干细胞混合在一起,然后进行3D打印,干细胞就会在生物墨水周围开始生长。这项研究为将来的大范围人造眼角膜移植提供了一种新思路[17]。LMx上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

据2019年《科学》杂志封面报道,美国莱斯大学与华盛顿大学的研究团队带来一项具有里程碑意义的发明——一个由水凝胶3D打印而成的肺模型,它具有与人体血管、气管结构相同的网络结构,能够像肺部一样朝周围的血管输送氧气,完成“呼吸”过程。从外形来看,这个人造器官还没有一枚硬币大。研究人员表示,这一领域的一大挑战是制造较大的活组织块,并且保证它有可存活的、运转正常的细胞,制造这种活组织块非常容易,但确保这种活组织内细胞的可存活性以及功能性是个挑战[18]。LMx上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

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图17 3D打印肺模型[18]LMx上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

如果说通过组织工程再生器官实现“哪里坏了换哪里”是人类在医学上的一个理想,那么3D打印技术则为这个理想的实现打开了一扇大门。以肺部器官为例,据统计,肺部疾病是全球发病率都较高的一类疾病,尤其对于慢性阻塞性肺疾病(COPD)、特发性肺纤维化(IPF)、肺囊性纤维化、ɑ-1抗胰蛋白酶缺乏,特发性肺动脉高压等肺部疾病来说,在条件允许的情况下通常都需要通过肺移植的方式来进行治疗。但适合的病人往往难有合适的肺源。随着科技的发展,如果有一天能够借助3D打印技术,快速制造出符合人体植入要求的肺部器官,就可以弥补捐献器官的短缺,更快速、精准地满足患者需求。LMx上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

结语LMx上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

在过去长达一个世纪的时间里,人类在减少甚至消除生物疾病方面取得了长足的进步,例如青霉素的出现以及 CRISPR 基因编辑技术等。现在,随着如3D打印、人工智能等各类前沿科技在医学应用中的不断发展,人类的医疗进程可能会发生巨大的变化。3D打印技术如今已被广泛应用于康复医疗器械、医学模型、手术导板、生物打印、药物研发等诸多方面。而在这次抗击新冠肺炎疫情中,3D打印也发挥了小批量、分布式、快速制造、无人化生产的灵活优势,为疫情防控贡献了自身的力量。这让我们有理由相信,科技的进步将会带来一个更美好的世界,人类也必将可以更加从容无畏地面对疾病和未来。LMx上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

参考文献:LMx上海资讯网——上海资讯类门户网站官网

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