3D打印人工假体应用实例

目前，3D打印技术在人工假体方面的应用主要有义肢、义耳和种植体等，其中义肢应用较多。

1.个性化膝关节

全膝关节置换术（Total Knee Arthroplasty，TKA）是迄今为止恢复因关节炎病变而受损的膝关节功能最成功的外科手术方式之一。然而，手术技术及假体位置安放的失误会明显影响TKA术后的长期疗效。利用3D打印技术制作的膝关节手术植入体，其外形能很好地与病人原有的组织相吻合，术后效果较好。

这种个性化的膝关节的制造通常是根据植入体的3D数据进行模型制作，之后利用模型制作浇注模具，通过浇注工艺成型钛合金膝关节，图7-7为组装好的个性化膝关节。

图7-7 组装好的人工膝关节

2.义肢

随着外科修复手术科技的日益发展与手术理念的日渐人性化，越来越多的残疾患者从中受益，即使是义肢也能够保证在舒适的同时变得时尚。美国旧金山的Bespoke Innovations 3D科技工作室公布了他们的个性化3D打印的新型义肢。这一新型义肢不仅可根据不同客户情况量身裁定，而且还十分时髦，如图7-8所示。

项目研发负责人表示，他们通过对常见的义肢制作材料、整流装置进行改进，研发出新一代整流罩，为他们的新型义肢项目奠定了坚实的基础。Bespoke Innovations 3D工作室首先使用3D扫描仪取得客户腿部详细数据，然后该公司的设计师会根据客户自身数据、年龄、性别、特殊要求等信息，为客户设计自己独有的义肢款式，并在客户过目后，根据客户的意见及依据设计图样和客户信息，通过3D打印机进行义肢的直接制作。

图7-8 Bespoke Innovations 3D工作室制作的义肢

由于各种原因，有相当数量的人需要装配义肢，但是每个人的身材都是不同的，必须进行完全个性化的定制。图7-9为Bespoke Innovations 3D工作室采用3D 打印技术制作的其他不同形式的定制化义肢。

图7-9 不同形式的义肢

为了使腿部截肢的残疾人享受水下运动的乐趣，德国Voxeljet公司利用3D打印技术生产了一种义肢，如图7-10所示。这种义肢由两部分组成：鳍和适配器，它能够使拥有稳定健康状况的一条腿截肢的残疾人享受水下运动。

图7-10 可使一条腿截肢的残疾人享受水下运动的义肢

3.义耳

先天性耳朵畸形，即小耳症的发病率大约在万分之一至万分之四，患者的外耳表现为发育不全。许多具有小耳症的患者其内耳是完好的，但是会因为外耳的结构缺陷出现听力丧失的问题。在常规的外耳修补或替换中，一般利用具有类似泡沫聚苯乙烯稠度的材料，或是外科医生利用患者的肋骨来制作义耳。但这些方法相当困难且对于儿童来说过于疼痛，制成的义耳在外观和功能上也与真耳相差甚远。随着CT图像处理和三维重构技术的迅速发展，同时伴随着3D打印技术的成熟，两者结合为义耳的制作提供了一种新工艺。(www.xing528.com)

传统义耳赝复体形态制作一直存在仿真程度不高的问题。基于医学CT三维重构技术进行数据处理，得到义耳及义耳注型模具的三维模型，采用3D打印技术进行义耳注型模具的快速制作。同时对浇注的硅橡胶材料进行配色，再利用3D打印技术制作的义耳注型模具进行义耳赝复体的真空注型，便可得到几何形状仿真度比较满意的义耳赝复体。之后，可根据个体肤色的需要，对硅橡胶材料配色，不满足要求的义耳再次进行外表人工涂色，以满足个体肤色对义耳配色的要求。

基于螺旋CT图像的义耳模型构建的过程如图7-11所示。扫描患者正常一侧的耳朵，将CT数据存储成DICOM格式，如图7-11a所示；使用专用的三维重建软件将患者耳部CT数据重建，生成三维模型，如图7-11b所示；将三维模型进行光顺处理，并将数据格式转化为3D打印系统接收的STL文件格式，如图7-11c所示；镜像得到患者缺损耳朵的三维数据模型，如图7-11d所示。

图7-11 基于CT图像处理技术的义耳模型构建过程

当获得义耳三维模型后，通过布尔运算及根据真空注型工艺要求，得到义耳注型的上下模具，并根据注型工艺要求设置了浇道和合模定位装置。义耳注型上下模具如图7-12所示。图7-13是采用SLA工艺制作的用于硅橡胶浇注的义耳模具。

图7-12 义耳注型上下模具

图7-13 SLA工艺制作的用于硅橡胶浇注的义耳模具

采用SLA成型技术制作的义耳注型模具，利用医学硅橡胶材料进行义耳的真空注型。在注型之前，需要对硅橡胶材料根据个体肤色进行配色。义耳赝复体的颜色应该在整体上能够与颌面部颜色相协调，这就需要与患者肤色进行精确匹配，而这项工作以往通常是由医技人员根据患者肤色或肤色记录按照经验进行配色，操作者颜色辨别能力的差异和修复材料固化后颜色的变化一直影响着赝复体颜色的准确性。最新的研究是以色度学为基础，建立肤色值、颜料配比值、赝复体的颜色色度值及色差之间的数学关系，借助色度测量仪器对个体肤色进行测量，得到与个体肤色比较精确的科学配色方法。图7-14便是对硅橡胶材料进行配色后使用SLA成型的模具通过真空注型技术得到的义耳赝复体。

4.面部假体

图7-14 义耳赝复体

英国一名男子因患鳞状细胞癌，癌细胞迅速扩散而不得不切除脸部的大部分，手术使其失去了它的左眼、颧骨和一大部分下巴，他只能依靠饲管进食，必须用手托着脸才能够说话。这名男子借助3D打印技术终于实现了面部重建，拥有了属于自己的“新脸”。医生们对他剩余的头盖骨进行CT和面部扫描，通过数字处理技术重新整合出他原来的相貌。重构的面部数字模型满足3D打印制造技术要求后，医生们使用尼龙塑料“打印出”一个非常合体的逼真面部假体。利用3D打印技术制造钛合金支架，并通过手术植入该男子脸部残留的骨头上。随后将3D打印技术制作出的一个与头骨模型吻合的塑料板固定在支架上，将他的嘴部周边密封起来，这样他就可以像正常人那样喝水进食了。最后，通过3D打印技术制造一个硬尼龙材质的脸部外壳，并在外壳固定一个和人脸相似的硅胶面具。硅胶面具通过磁性固定，因此晚上睡觉时可以方便地取下。即使是支撑这块假体的螺钉也是利用3D打印技术做出来的。

该应用被认为是3D打印技术在面部修复方面最为成功的案例。图7-15为利用3D打印技术制作的脸部假体。

图7-15 利用3D打印技术制作的脸部假体