3D列印於醫療領域的五個創新用途

個人化、精準的醫療正在興起,新興的工具與技術正在縮短醫生與病患的距離,提供給病患更好的診療流程,客製化的設備也能更完善地為每個人提供精準服務。

3D列印科技的進步在醫療領域上有了許多的貢獻。對病患來說,以3D列印研發的新興醫療工具與治療方法,可帶來更舒適與個人化的診療體驗。對醫生來說,這項新興的科技讓它們更能了解較為複雜的醫療案例,也提供了達到更高標準醫療的工具。

從手術規劃模型到血管系統與生物反應器等,接著來看3D列印醫療領域的五項創新應用,以及為什麼醫療專業人士對於3D列印在醫療方面的潛力這麼期待。

1. 為病患量身打造的手術模型

搭配掃描技術製作的3D列印解剖模型在目前個人化、精準化醫療是一個非常有用的臨床工具。當醫療案件變得越來越複雜、且手術室的例行工作來說效率變得越來越重要時,視覺化又可感觸的參照模型可以加強病人跟手術團隊間的理解與溝通。

世界各地的醫療專業人士、醫院與研究機構為了例行或者高度複雜的醫療程序,已在應用3D列印的解剖模型作為參考來做術前規劃、手術中間的視覺模擬、醫療設備的尺寸和預裝配,這已經被收錄在上百件的文章、期刊。

透過3D列印來製作病人專屬的、感觸式的電腦斷層、核磁共振掃描的參考模型是非常實惠且直接快速的。同行評審文獻說明模型提供了一個另外的觀點幫助外科醫師可以為手術做更好的準備,且大幅地減少了手術的時間和費用,同時提高患者滿意度,減輕患者焦慮也加速患者康復的時間。

透過對術前模型的學習也大幅影響了治療過程,這是Michael Eames醫師的親身經驗。在複製了一位年輕患者的前臂骨骼後,Michael Eames醫師發現到,這位病患實際的受傷部位跟他所預期的有所不同。

Eames博士決定採用一種新的軟組織程序,這項程序具有較低的侵入性,減少了康復時間,並且產生的疤痕少得多。Eames博士利用列印的骨骼複製品,向這名年輕患者及其父母走過一遍流程,並徵得他們的同意。

結果是?手術流程少於30分鐘!取代了原本計畫所需的3小時!這樣的手術時間差異讓醫院節省了約5500美元的成本,也縮短了患者所需的術後護理與恢復時間。

加州大學舊金山分校(UCSF)與舊金山榮民醫學中心的骨科醫生Alexis Dang提到:「我們每一位全職骨科醫生和幾乎所有兼職外科醫生都曾在舊金山榮民醫學中心的患者照護中運用3D列印的模型,。

創新的生物相容性醫療用3D列印材料,也促成了新興的外科手術工具與技術的研發,進一步改善了手術過程的診療體驗。這些工具包含了可消毒的固定托盤、輪廓的模型與植入物尺寸的模型等,讓醫生在首次手術動刀之前進行植入物的尺寸調整,不僅減少手術的時間也增加了複雜手術的準確性。

費恩斯坦醫學研究所講師Todd Goldstein博士在他的評估中明確指出3D列印技術如何成為其部門的重心。他估計如果Northwell在10至15%的案例中使用3D列印模型,則每年可以節省175萬美元。

「從醫療設備原型,用於我們兒童醫院的複雜解剖模型到創建培訓系統,最後透過植牙導版進入牙科診所,3D列印技術增強了我們的能力,降低了成本,同時使我們能夠提供用於治療患者的工具,這些要是沒有我們的SLA 3D列印機幾乎是無法實現的」 Goldstein說。

2. 新型醫療設備與器械

3D列印實際上已成為快速打樣的代名詞。公司內部3D列印的易用性與低成本也為產品的開發帶來了革新,許多醫療設備的製造商也採用了這項科技來製作全新的醫療設備與手術器械。

前50強的醫療設備公司超過九成使用3D列印製作精準的醫療設備打樣,也製作夾治具來簡化測試過程。

Alex Drew––國際醫療設備供應商DJO Surgical的技術專案工程師––就曾提到:「在導入Formlabs 3D列印機之前,我們幾乎全部打樣都是倚靠外包廠商。現在,我們總共有四台Formlabs 3D列印機在運作!它所帶來的影響非常深遠!我們的3D列印比例加倍,但成本卻縮減了70%左右,且列印物件的細緻度讓患者能夠和整型外科醫生能夠有更清楚的溝通。」

3D列印讓原本需要幾週的複雜設計更新在幾天內就完成,進而加速設計的過程。當Coalesce被指派要製作一款可用數位化的方式來評估氣喘患者的呼吸流量時,若是用外包的方式,每個樣品可能都需要冗長的交期。必須反覆經過各種精心的設計變更後,才能被送出進行製作。

相反地,桌面級3D列印機讓Coalesce能夠在公司內進行整個打樣的流程,打樣的物件能夠直接在臨床研究上做使用,看起來就像成品一般。事實上,當他們展示設備的時候,客戶甚至誤以為樣機就是成品。

總而言之,公司內部生產代表80-90%的樣品待件時間縮減。更厲害的是,物件僅需要8小時就能夠印製完成,且可以在幾天內就完成後處理與上色,這整個流程如果以契約包商來做可能會需要一週甚至是兩週。

3. 經濟型的義肢

每年都有許許多多的人因故失去四肢,不過只有一部分人能夠取得義肢來協助恢復功能。

簡單的義肢只有既定尺寸可挑,所以患者有時需要屈就於最好但不一定完全吻合的尺寸,而能夠實際模擬四肢真實動作與握法的客製化仿生設備非常昂貴,幾乎只有在已開發國家擁有高端醫療險的病患才負擔得起。特別是小孩子的義肢。隨著孩子的成長以及種種經歷,他們的成長必然會超越義肢的大小,進而需要昂貴的維修或更換費用。

難度在於人們負擔得起的客製物件工法目前還是缺乏的。不過,越來越多義肢設計者能夠運用3D列印的設計自由性來減輕這些高價診療的門檻

像e-NABLE這樣的團隊讓全球的社群能夠3D列印義肢,他們正在舉辦一個提倡義肢設計免費開源到網路上的活動,因此客戶僅需花費大約50美金的費用就可以拿到客製設計的義肢。

其他像是Lyman Connor的發明家又更向前了一步!在這個有4台3D列印機的小型機構中,Lyman能夠完成並測試它的義肢生產。他的最終目標是什麼呢?創造客製化、完全仿生的手,並以比起目前標價數萬美金要低許多的價格出售。

另一處,MIT的研究員更確立了3D列印是用來生產更好義肢套的絕佳方式。

毋庸置疑的是,生產這些義肢的低成本以及客製設計的自由度是非常具有啟發性的。利用3D列印製成的義肢可以在短短兩週內完成交付,且可用相比傳統方式低價的方式去進行試用與維護。

隨著材料價格的降低與性能的改善,3D列印將會成為醫療領域中越來越重要的一個角色。

4. 矯正鞋墊與矯形器

我們在義肢案例看到的高價門檻在矯正鞋墊與矯形器上也有相同的問題。就像其他的病患特定的醫療設備,客製化的矯形器也因為高成本與數週或數月的製作時間導致較難以入手。然而,有了3D列印後,這不再是問題!

Matej和他的兒子Nik的案例浮現在我們腦中。2011年由於早產的分娩困難讓Nik患有腦性麻痺,這個疾病影響了全球近兩千萬人。Nik對於克服自己狀況限制的堅定態度啟發了Matej,接下來他需要從標準既定的矯形器(這對Nik來說可能是不足夠且不舒適的)或者昂貴且需耗時數週或數月製作的客製化矯形器,不過對於成長中的孩子可能很快就要淘汰。

他決定要自己來處理這個難題,並找到新的解決方式來達到他的目標。透過像是3D列印與3D掃描等數位製造方式的高度自由性,讓Matej和Nik的物理治療師能夠自由地進行實驗測試,並展開踝足矯形器(AFO)的創新研發流程。

3D列印的客製化矯形器為Nik提供所需的精確的支撐、舒適度以及矯正。這種訂製的矯形設備以較低的價格就擁有高端矯形器的高適配度,而且不需要進一步的調整。

全球各地的專業人士都在使用3D列印來重新發明針對患者、客戶訂製的鞋墊與矯形器,以及其他一系列用來改善物理治療的工具。在過去,運用客製化工具來做物理治療是較為困難的,病患常常面臨漫長的等待時間,且成品有可能不夠舒適。3D列印正在改變現況。3D列印的鞋墊與矯形器證實了它更加的合身,可帶來更好的治療效果,也為病患提供更大程度的舒適感與良好使用體驗。

5. 生物列印,組織工程,3D列印器官及其他

目前,治療具有嚴重器官功能衰竭的患者的常見方法包括自體移植—從同一人身體的一處到另一處的組織移植或者從供體的器官移植。生物列印和組織工程領域的研究人員希望能夠盡快改變這個現狀,並且按需求創建組織,血管和器官。

3D生物列印是指使用加法製造來對稱為生物墨水的材料做堆積,進而製作可在醫療領域使用的組織結構。組織工程學包含了許多新興發展中科技,像是生物列印、於實驗室培養用於治療傷害或疾病的替代組織與器官等。

透過高精確度3D列印的協助,像是來自Sheffield大學的Sam Pashneh-Tala博士等研究員為組織工程帶來了新的可能性。

為了指導細胞生長從而形成所需的組織,Pashneh-Tala博士在實驗室的支架上培養了活細胞,該支架提供了所需的形狀、尺寸與幾何形狀。舉例來說,管狀的結構會運用在製作心血管患者的血管。細胞會繁殖並覆蓋支架,以取代其形狀。支架接著會逐漸崩分解,讓活細胞排列成目標組織的形狀,接著會在生物反應器中培養(生物反應器是一個含有成長中組織且可以複製人體內環境的腔室,進而去獲得有機組織的機械和生物性能。)

這使得科學家能夠製作針對特定患者的血管移植物進行設計、改善手術的選擇,且為心血管疾病患者(目前是全球第一大死亡原因)的新型血管醫療設備提供了特殊的測試管道。接著,最終的目標則會是製作可以直接植入病患體內的血管。組織工程會需要從被治療的患者身上提取細胞,這減少目前器官移植的一個主要問題—免疫系統排斥的可能性。

3D列印證實了能夠解決並製作合成血管的挑戰,解決了重現血管精確形狀、尺寸、與幾何形狀的困難。列印解決方案能進一步符合患者的特殊需求,這是非常具啟發性的。

Panhneh-Tala博士提到:「透過3D列印來製作血管」讓手術選擇、甚至是特定的血管設計有了改善的可能性。如果沒有高度的精確度、負擔得起的3D列印,要製作這些形狀幾乎是不可能的!

我們看到了許多3D列印可用生物相容性材料令人振奮的突破,科學家們正在開發新的水凝膠材料,這種材料跟人腦與肺部的組織有一致性,且可與多種3D列印的過程相容。科學家希望能夠將它們植入器官中,並作為”支架”,促使細胞在上面生長。

僅管生物列印像是心臟、腎臟、肝臟等功能性內臟器官聽起來還很具未來性,不過綜合3D列印技術所帶來的進步正在迅速發展。

在實驗室中建構生物體並進一步促成新穎、功能齊全的3D列印器官是預期內的事。在2019年四月時,科學家們在Tel Aviv大學運用患者的生物材料研發了第一個3D列印心臟。這個微型的複製品是用病患自體的生物材質所製作,可與病患的免疫、細胞、生化與解剖學特徵完全吻合。

「現階段來說,我們的3D列印心臟還很小,它是兔子心臟的大小,不過更大的人類心臟所需的技術是相同的!」Tal Dvir教授說道。

醫用3D列印的下一步是什麼?

像桌面級光固化技術這樣精確且可負擔的3D列印,正讓這個科技更加大眾化,讓更多的醫療專業人士能夠發展新興的臨床解決方案,且能快速的生產客製化設備、並讓全球各地的醫師能夠發展創新治療方式。

3D列印科技與材料持續的在進步,也為個人化與高影響力的醫療應用鋪出嶄新的道路。

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