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3D打印器官模型的进展与挑战

期刊综述    2021-11-25 09:41

 

研究背景

 

➣3D打印作为一种强大的多功能制造技术,打破了传统方法的局限性,为制造器官模型提供了巨大的潜力。然而,器官模型的临床应用仍处于小规模,面临成本高、模拟性能差和准确性不足等挑战。
 
➣本次综述介绍了主流的3D打印技术,将现有的制造方法分为“直接打印法”和“间接打印法”,重点是选择合适的技术和材料。
 
➣本综述还总结了应对这些挑战的思路:1)不同应用场景下器官模型的特点和要求,2)如何根据不同的应用类别选择合适的 3D 打印方法和材料, 3)如何降低器官模型的成本,使制作过程简单方便。
 
 
 
3D打印技术
 
 
图1. 器官模型的特点、用途及其与组织模型的区别。
 
 
➣3D打印技术是一种将计算机中的模型数据通过逐层叠加的方式制造成三维实物的快速制造方法。
 
➣在器官模型制造中最常用的五种技术:光固化打印(SLA、DLP)、挤出打印(FDM、DIW)、喷墨打印(InkjetPrinting)、激光熔融烧结打印(SLS)、粘合剂喷射打印(BJ)。
 
➣本综述详细介绍了上述打印方法的原理和材料、打印速度和精度、成本和优缺点等特点,为选择合适的打印方法提供指南。
 
 
 

器官模型3D打印

 

 

图2. 3D打印器官模型的制造流程及主要方法。
 
 
➣直接3D打印方法使用3D打印机直接打印出器官模型本身。受限于3D打印机的打印空间,当模型体积较大时应分为几个部分打印并组装在一起。
 
➣直接3D打印方法的特点是简单方便,工作流程少,几乎适合于制造任意结构的器官模型,相对来说打印具有复杂分支的各类管状和流道结构是其主要优势,在未来更广泛的应用中仍需不断寻找降低成本的办法。
 
➣间接3D打印方法的特点是3D打印机和材料成本较低,但是工作流程更复杂,有大量的人工操作步骤。间接方法适合用于制造柔性的块状结构,例如肾脏和肝脏的实质。
 
 
 
3D打印器官模型的应用
 
 
 
 
图3. 3D打印器官模型的应用领域。
 
 
➣3D 打印的出现增加了将各种器官的医学图像转化为物理模型的可能性。
 
➣ 3D打印技术和材料的不断创新,结合多种器官模型的制作方法,不断在器官模型的临床开发和应用中取得显著成效。
 
➣同时,器官模型在多种大型外科手术以及手术外的交流和教育中发挥着重要作用。
 
➣作者重点介绍基于人体某些部位的器官模型的应用,包括神经外科模型、心血管模型、胸气管模型、腹部模型和颅颌面模型以及肌肉骨骼模型,如图 3所示。
 
 
 
结论与展望
 
 
 
图4. 3D打印器官模型未来发展趋势。
 
 
➣从医学影像数据的CAD处理到3D打印,现代数字化设计与制造技术的结合,为器官模型的创建和功能扩展提供了极大的可能性,推动了3D打印技术在医学领域的发展。
 
➣使器官模型从“静态”走向“动态”是一个可行的方向,这将在未来实现更多的应用模式。
 
➣如何使器官模型更便于在医疗环境中制造和应用,这需要解决两方面的问题,一是器官模型在哪制造,二是如何使器官模型的制造成本更低。
 
➣期望这篇综述能够帮助读者更方便地创建器官模型,特别是在医疗环境下而不是在工业条件下,选择合适的方法和材料,实现更多功能的器官模型。