3D打印医学应用白皮书

很少有领域像医疗行业那样变化迅速；从突破性的新药到在急诊室拯救生命的尖端技术。虽然3D打印已经在各种医疗学科中部署了几十年，但最近出现的可负担的桌面打印突出了真正改善护理和病人医疗体验的潜力。本报告探讨了最近采用可负担的内部打印技术对医院和医疗设备制造商产生影响的五种不同方式。

医疗设备原型制作

创造更好的产品

快速原型技术被财富500强公司和小型企业用于各种行业，以加快开发速度，降低成本，改善沟通，并最终创造更好的产品。原型制作是任何设计过程中不可缺少的一部分；持有产品的实物草稿可以阐明一个功能背后的想法和概念，允许以极小成本的传统方法来生产和测试功能部件。桌面3D打印的出现使快速的当日原型制作在产品开发中变得可行，使公司能够比其竞争对手更快地将更好的产品推向市场。通过内部3D打印，医疗设备公司的工程师可以在数字设计和物理原型之间快速迭代。现在有可能在同一个工作日内创建多个原型，并根据现实生活中的测试和分析结果，对设计、尺寸、形状或装配进行快速迭代。

概念模型或概念验证原型帮助产品设计师验证想法和假设，测试产品的可行性。物理形态的概念模型可以向利益相关者展示一个想法，引起讨论，并利用低风险的概念探索推动接受或拒绝。

功能原型帮助产品进入后续阶段，在这个阶段，细节变得越来越重要。3D打印使工程师能够创建高保真的原型，准确地代表最终产品。这使得在投资昂贵的模具和进入生产之前，更容易验证设计、配合、功能和可制造性，因为此时改变的时间和成本变得越来越高。医疗设备的原型往往需要适合人体的有机形状，因此必须在尺寸、重量和形状之间取得完美的平衡，同时为测试和迭代顺利运作。

医疗设备公司可以通过降低生产成本和时间来扩大其工作的影响，并动态地应对不断变化的需求。3D打印将数字制造引入内部，最大限度地减少成本和时间，使产品的开发更加灵活，从研发到生产都能提供更加个性化的照顾。

10家先进设备公司中的9家使用Formlabs

案例研究： 设备开发中的原型设计和测试

Coalesce的呼吸分析设备（BPD）被设计为以数字方式评估哮喘病人的吸气流量曲线。临床医生用来测量病人肺功能的肺活量测量仪，往往是昂贵和笨重的，或者是便携但技术含量低的。BPD是肺活量测量仪的一个廉价和便携的替代品。要求原型机具有光滑的表面光洁度、坚固性和耐用性，并能容纳内部印刷电路板的安装和固定装置。多年来，该公司将立体光刻技术（SLA）的3D打印外包给服务提供商。在试验了其他原型解决方案，如熔融沉积成型（FDM）3D打印后，他们发现SLA技术在表面质量方面是无与伦比的。

结果呢？通过转换到内部打印，节省了大量的成本和时间。阅读下面的完整故事，看看如何通过内部SLA打印，以更实惠的价格，更快地创造出质量更好的零件。

供应链短缺

推动供应链的准备工作

意外的冲击，如自然灾害或政治动荡，会突然影响任何行业的供应链。对于医疗系统来说，这些冲击可能会导致病人护理的巨大中断，因为治疗病人所需的个人防护装备和重要设备的减少会使手术和基本护理停止。在紧急情况下，医院和医疗系统往往不得不相互竞争关键设备和用品，有时在公开市场上竞相抬价。由于这些原因，人们对内部3D打印的兴趣越来越大，以使医院对其供应链拥有自主权。

将现有的内部打印机转向PPE和/或医疗用品的生产，只需几天时间：一旦确定了零件的需求，打印生产系统到位，就可以在几小时内创建物品。医院可以为自己的部门提供激增的能力，而不需要从其他医院需要的供应中抽出。最重要的是，一旦当地医疗网络的供应得到满足，医院就可以开始向其他机构运送物资。

这样的例子不胜枚举，部分原因在于3D打印的多功能性。几乎任何可以在CAD软件中创建的塑料部件都可以被打印出来，使医院能够创建从关键设备的替换部件到增加治疗呼吸衰竭患者能力的呼吸机分离器等项目。

这里，BiPAP适配器是用BioMed Clear树脂在Formlabs SLA打印机上打印的。纽约最大的医疗机构Northwell Health设计了3D打印的适配器，可用于将通常用于睡眠呼吸暂停患者的双水平气道正压（BiPAP）机转换为功能性有创机械呼吸机。转换BiPAP机的关键部件是一个小型的塑料T型适配器，它可以在Formlabs SLA 3D打印机上轻松生产。Northwell设计了这些适配器，为住院的COVID-19患者提供救生护理，并在纽约市的病毒高峰期将其用于纽约市重症病房的一些患者。内部生产允许创建所需物品的确切数量，避免了不必要的订单规模和批量订单的浪费。如果一家医院需要50个生物呼吸机适配器，他们可以打印出所需的确切数量，而不必下大订单。医疗机构投资3D打印机用于应急的另一个关键原因是，打印机不是单一功能的设备。由于医疗效益的范围，这意味着，前期投资成本可以向内部审查委员会证明是合理的。从现在打印关键的个人防护设备，到第二天打印手术指南，内部3D打印机继续看到它们在医疗领域内的应用不断扩大。

案例研究： COVID-19测试拭子

罗氏牙科实验室如何转向生产抗击COVID-19的医疗用品

问题：缺乏COVID-19的测试拭子

2020年的COVID-19大流行病已经扰乱了全世界的生活。牙科行业受到的打击尤其严重，美国各地的大多数牙科诊所只限于做紧急病例。牙科实验室的工作量平均下降了92%，三分之一的实验室完全关闭。

ROE牙科实验室，美国最大的牙科实验室之一，也不例外。由于传入的订单几乎完全停止，他们不得不解雇大部分员工，并面临一个不确定的未来。

解决方案： 3D打印测试棉签

2020年夏天，ROE牙科重新调整生产个人防护设备和医疗用品，包括每天15000个鼻咽（NP）拭子。这些棉签对于收集COVID-19测试的样本至关重要。该实验室设法带回了175名工作人员，并受到俄亥俄州州长迈克-德温的亲自感谢，感谢他对抗击大流行病的支持。

“如果我们没有3D打印机，我们就会被关闭。这就是3D打印机的魅力所在，它给你带来了即时的灵活性。我有一屋子的铣床，但它们不像3D打印机那样灵活，因为我只能为牙签铣出特定的尺寸。Kowalski先生说：”3D打印能力给你带来的业务灵活性真的令人鼓舞，因为你可以完成很多不同的事情。

“Formlabs的团队在与我们沟通、为我们提供信息和满足他们的最后期限方面一直很出色。他们一直非常诚实和坦率，真的非常好合作。我们还有一些其他的3D打印合作伙伴，但Formlabs在这方面绝对是领先的。”Kowalski先生说。

节约成本

在物价上涨的情况下省钱

对于医院和保险公司来说，医疗成本始终是一个问题。3D打印技术提高了医院工作人员的效率，部分原因是用高精度、针对病人的解剖模型加强了术前规划。这种术前规划的改进意味着手术室里的时间更短，病人的周转时间更快。

医院还可以为经常需要昂贵更换的各种物品3D打印塑料替代部件。通常情况下，一个破损的塑料管或夹子可能需要整个机器来更换。通过3D打印和价值1美元的树脂，这些部件可以在半天内被替换。

每次打印的潜在成本节约可以在创建内部毫微流控芯片中得到直观体现。在各种医疗应用中，如在体外培养和发展胚胎干细胞，制作定制的微流控芯片通常会产生高昂的成本，并可能需要两个月的时间才能得到一个原型。相反，SLA机器可以在你的实验室里打印任何需要的几何形状，并在几个小时内完成，而不是几个月。

执行基本功能的标准蚀刻玻璃流控芯片可能需要70美元或更多。但在许多情况下，3D打印的成本可以低一个量级。下面的构建平台上的一个大芯片只用了不到4个小时就打印出来了，用了57mL的透明树脂，折合成美元是8.55美元。对于更薄、更小的部件，打印时间和成本会更低。

案例研究：利用3D打印技术为英国领先的脊柱科节省8000英镑和两个小时的手术时间

通过他们在Axial3D的合作伙伴获得负担得起的、精确的3D打印技术，像纽卡斯尔医院NHS基金会信托公司的安德鲁-鲍伊这样的专业外科医生能够通过高精度、针对病人的解剖模型大大改善术前规划。

只要有可能，团队就会利用先进的微创手术技术，以最大限度地减少不适感，并减少病人的恢复时间。通过争取Axial3D的专业知识，Bowey先生和团队能够将病人的CT和MRI数据从纽卡斯尔的病房安全地传输到北爱尔兰贝尔法斯特的Axial3D总部。在传输的几个小时内，Axial3D团队可以对数据进行分割，并制作出病人解剖结构的360º触觉模型。

然后，Axial3D的医学影像专家用他们的Form 3B桌面打印机3D打印这些模型，并在48小时内将它们送到医院。发货后，这些模型可以用来帮助进行术前规划，进行手术模拟，或帮助教育和获得病人的同意。

3D打印的模型还使临床团队能够与病人及其家属协商，以管理期望值，并充分展示任何相关风险。通过在手术前进行完整的手术模拟，Bowey先生在一次复杂的手术过程中节省了120多分钟的时间，相当于医院约8000英镑的资金。此外，这一过程还有助于减少失血量，并在整个手术过程中与手术团队进行更好的沟通。

针对病人的解剖模型

个人手术

3D打印通常与快速原型设计和产品开发有关，例如上面一节中提到的医疗设备公司。随着打印机功能的扩大和材料选择的增加，病人特定的解剖模型已成为医院使用案例中越来越重要的一部分。

结合病人的CT或MRI扫描，医生可以使用分割软件来创建3D模型。然后，这些模型可以直接发送到3D打印机上。打印的解剖模型可以为多种关键目的服务。一个可以直接用于手术中，以切割指南的形式使用。其他时候，这些模型可以用于病人教育，以帮助直观地了解即将进行的手术中需要哪些步骤。手术中的3D打印解剖模型大大减少了手术时间，通常与改善临床结果和限制个人风险有关。

3D打印背后的真正秘密，以及为什么它迅速被用于病人特定的模型，是由于材料库的不断增加。软性材料，如弹性树脂，可用于模拟组织和动脉。较硬的材料，如白色树脂，可以打印出与骨骼的轮廓相匹配。对于更复杂的模型，透明树脂可以用来创建一个头部，填充打印的骨骼和彩色动脉，以创建解剖学模型。这些模型不需要一刀切，而是为每次使用而定制的，可以准确地模拟缺陷或与特定手术有关的问题。

“3D打印可以低成本、快速、准确地表现解剖学和病理学，这反过来又为更全面

的术前规划、巩固抽象的研究概念以及通过医生教育和培训改善病人护理

提供了一个途径。“

Gene Kitamura博士

匹兹堡大学医学院3D打印实验室医学主任

矫形器和辅助设备

这是第一次有可能创造出可获得的、负担得起的、有效的、定制的、合身的矫形器。

立体光刻（SLA）和选择性激光烧结（SLS）打印设备都可用于客户矫形器。SLS打印机，如即将推出的Formlabs Fuse 1打印机，使用尼龙粉末来制造轻质、坚固的部件。这些设备在形式和功能上都优于该领域仍然采用的几十年前的铸造方法。

目前的解决方案通常穿起来不舒服，并有引起疼痛和皮肤刺激的倾向–往往是儿童不愿意使用它们。价格可以轻松达到四位数，使矫形器的成本对大多数家庭来说是难以承受的，即使是那些有顶级保险的家庭。这个问题变得更加复杂，因为孩子们对矫形器的淘汰就像他们对衣服的淘汰一样快。

案例研究： 父亲用定制的3D打印矫形器帮助患有脑瘫的儿子走路

在这个故事中，我们可以了解到马特伊是如何帮助他患有先天性脑瘫的儿子尼克在定制的辅助设备的帮助下走路的。今天市场上的矫形器一般都穿得不舒服，而且只有高端、昂贵的型号才提供定制的配合。定制设备可能要花费数千美元，患者需要几周时间才能收到。

“两三天后，他就能走路了，而且不需要我们来照顾他，这样他就不会再摔倒了。

这种变化是立竿见影的，令人难以置信“

Matej

Nik的父亲

经过几个月的研究和实验，Matej拼凑出了一个创新的新工作流程，目前正在申请专利：

– 病人的脚被放在一个真空袋上，处于矫正后的承重（即站立）位置。

– 从顶部对脚进行3D扫描，并使用安装在iPad上的经济型结构扫描仪从真空袋中扫描脚印。

– 扫描数据被合并和清理，以产生病人脚部的精确展示。

– 定制的矫形器是在CAD软件中直接在扫描的脚上设计的。

– 矫形器使用Formlabs立体光刻3D打印机和耐用树脂进行高分辨率的3D打印。