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适用于医疗产业之3D 打印技术介绍
发布时间:2021-6-17
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适用于医疗产业之3D 打印技术介绍

■高速3D 打印研究中心 / 谢志华 项目助理教授

(本文转自《ACMT 模具与成型智慧工厂杂志》


✦ 前言

医学领域里广泛的使用许多3D打印技术,早期利用断层扫描及核磁共振等医学扫描数据来制作精准的器官模型,使医师在手术前得以预先演练开刀程序及进行规划,不仅能提供医学治疗上的辅助,更能缩短手术时间。近期,业界及学界研究中心在软硬件上投入许多研发资源,使得3D 打印技术取得大幅度的进步,并促使许多不同制程的诞生,并被广泛的使用在医疗领域中。但医疗领域里有许多的规则与限制,本期内容将以实际医疗实施例提出适合的3D 打印制程,并简略介绍各制程原理。


熔融沉积成型技术制作个人防护型装置

由于Covid-19 病毒肆虐造成全球感染,医疗重症病房无法容纳更多的病患,供不应求的状况下将瘫痪国内外医疗系统,为避免医疗体系崩溃,诞生了一种个人防护装置的概念,可以针对医护人员或症状不严重的病患使用。防护装置主要由防护面罩、滤心及高流量呼吸器构成,防护面罩的作用为隔离使用者与外界直接接触,滤心可过滤病毒,高流量呼吸器提供外部的氧气或空气稳定输入。面罩及滤心这类的规格品可轻易的取得,高流量呼吸器则可使用3D 打印技术针对面罩及滤心去设计并制作出来。目前在3D 打印技术的共享网站,已有许多关于呼吸器的设计,并且可以透过熔融沉积成型机台制作。

熔融沉积成型机台为目前最主流的3D 打印技术,原理为将材料加热通过喷嘴以一定的压力将材料喷涂于打印区内,经冷却固化成型并逐层堆栈成三维的立体结构。此类3D 打印成型机制以热烧结为主,透过平台移动,将可轻易的达成加法制造,并且此机台的架设成本极低,是目前学界与业界最为普及的3D 打印机台。呼吸器的设计仅提供一定的强度,及需要稳定的气体输入,在目前因疫情瘫痪的工业体系下,可以以共享网站串联私人的熔融沉积机台来制作零件。


积层制造用于微流道芯片的制作

微生物芯片及实验室芯片(Lab-on-Chip) 常用于需求在少量的检体来产生对应的检验数据,透过分流结构也可设计成同一份检体进行多种测试,将可大幅减少检验时间,方便携带及实时验证的优点也可减少建置大型检验实验室的成本。微流道芯片通常以微机电技术制作,利用精密雷射或是微蚀刻技术制作单层的微结构于透明材料上,再利用对位技术覆盖另一层透明材料进行封装,通常另一层结构会设计直立的结构,液体将可透过输入及输出口在流道内流动。

微机电技术制作微流道芯片,制程上需要多道工序,且需要进行芯片封装,这些步骤都需要一定的技术含量,才能使检验芯片产生稳定的反应,得出更加准确的测试结果。拜积层制造光固化技术的进步所赐,提供了更加精密的分辨率及更大的投影面积,促使以积层制造技术制作微流道结构得以实现。目前主流的光固化3D 打印技术是使用喷印头喷出紫外光树脂及利用雷射或DLP 投影在紫外光树脂槽,两者都是在成型平台固化产生立体结构。利用光固化3D 打印技术可一体成型的制作微流道芯片,且可在内部形成特殊或复杂的微结构,省去外部对位及封装的程序及成本。



积层制造技术于牙科与骨科的应用

3D 打印可以应用于口腔科与骨科上,作为辅助医师进行手术的一种工艺技术,一般常见的为定位导板、骨科植入物及切骨导板等组件制作。牙科数字技术则是3D 打印应用在医疗领域中最热门的专科,因此也产生了许多研究结果,目前最常用在牙齿的矫正与上下颚的调整手术。在医疗领域里,最重要的因素是可以客制化设计,经由医疗级扫描设备将病患的器官信息数字化后,完全复制或设计一套客制化的辅具。一般用于制作医疗零件的材料有PA12、ABS、Ti6Al4V、钴铬合金和不锈钢等,常用的技术为选择性雷射烧熔技术,以雷射或电子束在粉体材料上,进行高精度与效率的烧结成型,这种技术可在设计时加入各种微孔结构,来减轻材料重量。



结语

医学领域与工业领域不同,非以快速制造为主,反而是对精密及客制化制造有相当严格的要求,而积层制造技术最适合小批量大生产,或是不须模具的客制化制造。拜扫描技术、医疗级材料及积层制造设备的进步,积层制造已可制作高精密的医疗器材,并可轻易的利用熔融沉积成型、光固化技术、选择性雷射粉床技术,甚至是射流熔融3D 打印技术制作结构。■




参考文献
[1].三军总医院医疗事业基金医学研究发展计划书_ 喻大有、陈元皓、谢志华
[2].Guilherme Arthur Longhitano, Guilherme Bitencourt Nunes,Geovany Candido & Jorge Vicente Lopes da Silva.(2021). Therole of 3D printing during COVID-19 pandemic: a review. Progressin Additive Manufacturing , Vol. 6, 19–37.
[3].Simel Ayyı ldı z, Ahmet Murat Dursun, Vedat Yı ldırı m, Mehmet Emin İ nce, Mehmet Ali Gülçelik, and Cevdet Erdöl.(2020). 3D-Printed Splitter for Use of a Single Ventilator on Multiple Patients During COVID-19. 3D Printing and Additive Manufacturing,Vol. 7, No. 4.
[4].Sven Duda‡, Sascha Hartig‡, Karola Hagner, Lisa Meyer, Paula Wessling Intriago, Tobias Meyer & Heinrich Wessling.(2020). Potential risks of a widespread use of 3D printing for the manufacturing of face masks during the severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 pandemic. JOURNAL OF 3D PRINTING IN MEDICINE , Vol. 4, NO. 3.
[5].郑正元、江卓培、林宗翰、林荣信、蔡明忠、赖维祥、郑逸琳、郑中纬、苏威年、陈怡文、赖信吉、许郁淞、陈宇恩、宋震国、李知蓁、许启彬、张雅竹、陈昭舜、谢志华、陈俊名、叶云鹏、刘绍麒、钱启文、谢子榆、赵育德、AAMER NAZIR、AJEET KUMAR(2021)。《3D 打印:积层制造技术与应用》。台北:全华图书。
[6].文章首图( 中) 为MJF 4200 3D 打印机:HP 惠普 https://www8.hp.com/tw/zh/printers/3d-printers/products/multi-jetfusion-4200.html
[7].文章首图( 右) 为Lisa 3D 打印机:SINTERIT https://www.sinterit.com/
[8].图1 呼吸器,引用自 https://isinnova.it/archivio-progetti/easycovid-19/
[9].图2( 左) 为ATOM Delta 3D 打印机:达亿机械有限公司http://www.mastech3d.com/3dprinter/fdm
[10].图2(右)为LulzBot 3D 打印机:三帝玛公司 https://3dmart.com.tw/shop/lulzbot-taz-workhorse
[11].图3(左)为微流道血液分流实验,引用自https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.analchem.6b04587#
[12].图3(右)为微流道结构示意图https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780081000724000058

[13].图4(左)为Form 3 打印机:台湾天马科技股份有限公司https://www.taiwanteama.com.tw/data_840


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