上海交大附屬九院姜聞博：3D打印個(gè)性化定制醫(yī)療器械的研發(fā)和風(fēng)險(xiǎn)管理

姜聞博：上海交大附屬九院3D打印中心副主任。主題：3D打印個(gè)性化定制醫(yī)療器械的研發(fā)和風(fēng)險(xiǎn)管理

    姜聞博：今天報(bào)告的題目是3D打印個(gè)性化醫(yī)療企業(yè)的研發(fā)和風(fēng)險(xiǎn)的探索，剛才郝永強(qiáng)作了一個(gè)臨床案例的分析，我們的工作是幫助他們進(jìn)行臨床方案的設(shè)計(jì)和制造。
    3D打印是一個(gè)加工的技術(shù)，無(wú)論是鑄造也好的鍛造也好，加工也好，對(duì)人類(lèi)文明產(chǎn)生了很大的推動(dòng)。3D打印造成增材制造，歷史很短。很多人關(guān)注因?yàn)楝F(xiàn)在供大于求的，人類(lèi)對(duì)產(chǎn)品的個(gè)性化和小量的需求越來(lái)越明顯。我們希望有一種加工方式實(shí)現(xiàn)定制產(chǎn)品的人性加工的制造。
    2的世紀(jì)的發(fā)展也強(qiáng)調(diào)的個(gè)性化，3D打印為什么能夠在臨床醫(yī)學(xué)上得到重視？
    一、它是一個(gè)分層制造自方式，可以制造任何的復(fù)雜的形狀。 二是逐點(diǎn)成型，可以實(shí)現(xiàn)多種結(jié)構(gòu)的制造。三是數(shù)字模型直接驅(qū)動(dòng)的，無(wú)模制作。臨床是需要個(gè)性化的小批量的。
    醫(yī)療器械市場(chǎng)的規(guī)模，美國(guó)不到四億的人口1580億美元，中國(guó)是170億美元，所以說(shuō)中國(guó)的市場(chǎng)前景是非常看好的。但是中國(guó)的公司很多的醫(yī)療器械出于低端的，我們中國(guó)的醫(yī)療產(chǎn)業(yè)界能借助新的技術(shù)，開(kāi)發(fā)一些自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的，將它的技術(shù)達(dá)到國(guó)際的領(lǐng)先的水平，實(shí)現(xiàn)醫(yī)療器械領(lǐng)域的彎道超出。
    我們九院從上世紀(jì)八十年代開(kāi)始研究的個(gè)性化的骨盆、髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)等等，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。因?yàn)楹芏嗟尼t(yī)療器械，比如說(shuō)骨盆，我們?nèi)绾蝸?lái)研究個(gè)性化醫(yī)療器械的過(guò)程。
    骨盆在整個(gè)被切除之后，我們要來(lái)重建，使它能夠恢復(fù)髖關(guān)節(jié)的中心，得到重建。（圖示）這個(gè)是我們需要的位置大小的不同，設(shè)計(jì)不同的形態(tài)骨盆的吸收的假體。
    （圖示）這個(gè)病人八年之后帶了一個(gè)6歲的兒子。
    第二代假體是數(shù)控加工的方式，一些標(biāo)準(zhǔn)化的固件實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)好，這樣的話(huà)可以減少的加工的周期，因?yàn)槟菚r(shí)候還沒(méi)有技術(shù)打印的技術(shù)，預(yù)先定制，采用組裝件的形式，現(xiàn)在是第二代的假體也做了很多臨床的病例，也是2000年之后做的，到2016年之后我們開(kāi)發(fā)第三代的個(gè)性化的假體，采用的是金屬的技術(shù)，雖然我們做了20多年個(gè)性化骨盆的應(yīng)用，但是發(fā)現(xiàn)非常的分析。3D金屬打印出來(lái)之后就想到是否可以升級(jí)我們的產(chǎn)品，可以支配多功能一體化的支配。我們每一個(gè)個(gè)性化的設(shè)計(jì)都有九院的模式，因?yàn)檫@個(gè)東西是無(wú)法模仿的，只有九院自己探訪(fǎng)，我們針對(duì)每一個(gè)病患都要來(lái)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的方案都要經(jīng)過(guò)手術(shù)醫(yī)生、設(shè)計(jì)小組一起來(lái)確認(rèn)，每一個(gè)病人都有一個(gè)檔案。首先是外形的設(shè)計(jì)，你向醫(yī)生來(lái)討論，腫瘤缺損的范圍，如何來(lái)做手術(shù)，如何來(lái)結(jié)果，根據(jù)缺損的大小來(lái)設(shè)計(jì)假體，當(dāng)然這個(gè)假體不是一個(gè)完全的重建。骨科強(qiáng)調(diào)功能性的重建，并沒(méi)有說(shuō)一定要對(duì)稱(chēng)。還有固定的方式，如何與周?chē)�的骨頭進(jìn)行結(jié)合。
    多孔結(jié)構(gòu)，它可以有表面涂層的工藝，我們剛剛也嘗試這樣的設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)很多的問(wèn)題，我們的優(yōu)化方案根據(jù)臨床的需要設(shè)計(jì)多重的結(jié)構(gòu)，這也是一個(gè)非君制的建造，把這個(gè)形態(tài)、部位都可以設(shè)計(jì)。
    （圖示）每過(guò)一段時(shí)間我們會(huì)對(duì)材料的化學(xué)成份進(jìn)行一些測(cè)試。
    （圖示）這是一個(gè)周期檢，對(duì)打印假體，每過(guò)一個(gè)周期對(duì)它的內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，通過(guò)CT來(lái)做一個(gè)評(píng)判，看是否有缺陷。
    （圖示）這是一個(gè)康復(fù)的鞋墊，我自己做大概有一百多雙，解決了很多病人足體痛的問(wèn)題。
    3D打印給很多的科室?guī)��?lái)的進(jìn)步，包括骨科，導(dǎo)板植入，口腔科、整形外科、康復(fù)科都也設(shè)計(jì)。
    如何做風(fēng)險(xiǎn)管理，這是我們自己的探索。
    一是臨床實(shí)驗(yàn)的風(fēng)險(xiǎn)的管理，有一個(gè)臨床專(zhuān)家委員會(huì)，你這個(gè)病例它是否適合做個(gè)性化的定制？
    二是設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)，你做設(shè)計(jì)的時(shí)候，這個(gè)個(gè)性化的設(shè)計(jì)是否合理，你的加工方式是否可以實(shí)現(xiàn)，可制造性，有時(shí)候制造出來(lái)的東西想法很多，但是不一定做得出來(lái)，或者說(shuō)做得出來(lái)不一定復(fù)雜。第一個(gè)假體設(shè)計(jì)成熟的時(shí)候，后面可以減少流程，但是第一個(gè)必須要有設(shè)計(jì)小組專(zhuān)家委員會(huì)來(lái)幫你做評(píng)估。然后是過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)的管理，關(guān)鍵工藝進(jìn)行分析和控制等等。
    我們個(gè)人認(rèn)為最大的危害或者說(shuō)最大的個(gè)性化實(shí)現(xiàn)的瓶頸也好，關(guān)鍵的因素也好，關(guān)鍵在于臨床的醫(yī)生，這個(gè)手術(shù)做的比較少，你的風(fēng)險(xiǎn)不足夠，你的設(shè)計(jì)方案都是不合理的，你靠工程師來(lái)實(shí)現(xiàn)你的設(shè)計(jì)和制造的話(huà)，顯然會(huì)有一個(gè)差距的。臨床醫(yī)生的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)會(huì)有一個(gè)很大的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行控制的。
    謝謝大家！

    主持人：謝謝姜聞博博士，接下來(lái)有請(qǐng)張冬云：北京工業(yè)大學(xué)教授。主題：SLM在醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用研究成果。

    張冬云：感謝主辦方的邀請(qǐng)讓我在這里來(lái)有機(jī)會(huì)跟大家分享我們的研究，北京工業(yè)大學(xué)3D打印中心是北京市支持的中心，把我們?cè)?D打印方面的應(yīng)用在醫(yī)療和共同技術(shù)領(lǐng)域，我今天來(lái)分享我們做的一些研究。
    我們的視角跟純醫(yī)療的視角未必是很切合的，但是我們拿出來(lái)與大家共享和探討。報(bào)告包括了四個(gè)部分，首先講一下激光學(xué)內(nèi)容能夠做什么，第二部分講我們?cè)谀�擬方面做的工作和調(diào)控方面做的工作。第三部分講一下我們做的一些工作。第四部分是我們?cè)谂R床的一些應(yīng)用。
    首先激光選驅(qū)熔化根據(jù)數(shù)字的模型來(lái)制造它的形狀，調(diào)控它的性能，我們把數(shù)字設(shè)計(jì)的概念融入到進(jìn)去，可以用特殊的方法，特殊的機(jī)械零件的設(shè)計(jì)的方法來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)某種零件或者說(shuō)某種關(guān)節(jié)或者說(shuō)部位要有一個(gè)特殊的功能，要進(jìn)行模擬進(jìn)行數(shù)字化的設(shè)計(jì)，我在這里面設(shè)計(jì)就包括了這兩種，把數(shù)字設(shè)計(jì)和模型結(jié)合起來(lái)，讓它具有特殊的功能，為我們的醫(yī)療、工程來(lái)服務(wù)。
    3D打印或者說(shuō)激光選驅(qū)熔化是數(shù)字化的制造的過(guò)程，這個(gè)制造的過(guò)程非常的快，我們要求加工過(guò)程盡量短的時(shí)間，所以說(shuō)它的熔值存在的時(shí)間非常的短。這個(gè)過(guò)程不可再現(xiàn)的用其他的手段，用模擬的手段來(lái)再現(xiàn)熔池的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)（音譯）來(lái)控制它的整個(gè)過(guò)程和性能，讓它們滿(mǎn)足我們醫(yī)療方面應(yīng)用性能的要求，以及共同進(jìn)步上性能的要求。這是我們所做的一個(gè)工科的人在醫(yī)學(xué)上做的研究。我現(xiàn)在講的幾個(gè)方面是我們北京工業(yè)大學(xué)3D醫(yī)療打印中心工作的一部分。
    激光選驅(qū)熔化有一個(gè)數(shù)字的加工，把激光束數(shù)字化和熔池?cái)?shù)字化，來(lái)再現(xiàn)激光選驅(qū)熔化過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的物理、化學(xué)、冶金的現(xiàn)象。
    （圖示）這是我們做的溫度場(chǎng)，溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的結(jié)合，熔池存在的時(shí)候，這個(gè)熱流都是沿著等值線(xiàn)垂直的方向，而且具有不同的速度，隨后我們就把熔池的發(fā)生的一些現(xiàn)象，隨著時(shí)間的變化做了一項(xiàng)工作，這個(gè)可以看出來(lái)，隨著時(shí)間的變化，熔池變化的情況，以及熔池形狀隨著時(shí)間的變化。激光在加熱材料的時(shí)候，它的加熱冷卻是怎樣一個(gè)過(guò)程，這個(gè)也描述得很好。
    （圖示）接下來(lái)這個(gè)模型是整個(gè)熔池加工過(guò)程，熔池不斷的凝固、熔化的過(guò)程，得以再現(xiàn)。熔池的尺寸大小的型號(hào)，隨著時(shí)間、速度和各種參數(shù)的變化我們都進(jìn)行了模擬，再現(xiàn)了整個(gè)加工的過(guò)程。甚至醫(yī)療上用得比較多的材料，太料立嗣反（音譯）形成的原因是我們要關(guān)注的，我們通過(guò)這樣一個(gè)數(shù)字模擬再現(xiàn)的過(guò)程，把氣孔形成的過(guò)程記錄了下來(lái)，揭示了這個(gè)氣孔形成的機(jī)制，因?yàn)樵?D打印過(guò)程中，3D打印這個(gè)技術(shù)中鈦合金有這樣的氣孔，除此之外還有很多的材料，醫(yī)用的一些材料，大家關(guān)注的液態(tài)合金或者說(shuō)鎂合金，鎂合金熔點(diǎn)低，升華點(diǎn)低，液態(tài)合金容易蒸發(fā)。我們對(duì)于一個(gè)材料，對(duì)于鈦合金的模擬的過(guò)程會(huì)輻射到其他的相應(yīng)的材料中來(lái)。
    （圖示）下面是它的氣口在整個(gè)熔池中隨著時(shí)間變化的情況，可能原來(lái)是在粉末孔隙中存在或者說(shuō)其他的原因存在，最后卷入到這個(gè)熔池中，形成了這樣一個(gè)氣孔。
    3D打印的過(guò)程，它還有一個(gè)溫度的場(chǎng)，我們對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行了模擬，整個(gè)加工的過(guò)程中，它的溫度場(chǎng)是什么樣的，金屬經(jīng)歷了這樣的熱循環(huán)，根據(jù)這樣的熱循環(huán)，我們來(lái)調(diào)控它的組織，調(diào)控它內(nèi)部整體的結(jié)構(gòu)，從而讓它性能來(lái)符合生物機(jī)械的應(yīng)用，我們知道生物應(yīng)用材料要求有抗壓的強(qiáng)度，還有抗腐蝕的能力，還有疲勞性，我們很多材料的研究的過(guò)程中，一般都是涉及到抗壓強(qiáng)度，它的腐蝕能力和疲勞的性能很少有考慮到。
    我們要對(duì)材料疲勞性能提高也做了一些性能的解讀。
    （圖示）這種材料用于生物醫(yī)療的手段，剛制造出來(lái)的時(shí)候，它的組織的延展性比較差，我們通過(guò)性能的調(diào)控，得到了相應(yīng)的組織，把它延伸率提高了，但是這樣還是不能滿(mǎn)足醫(yī)療上的疲勞性能的要求，按照這個(gè)要求我們又對(duì)這個(gè)組織中存在的某些相形成的溫度和存在的溫度進(jìn)行的調(diào)研，按照3D打印的過(guò)程，實(shí)際的應(yīng)用對(duì)它進(jìn)行模擬，有了這些猜測(cè)之后，我們對(duì)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行了調(diào)控，最后得到了相應(yīng)的相，就會(huì)使材料的延展性提高。這件事停留在鈦合金上，是因?yàn)槲覀冊(cè)阝伜辖穑�在醫(yī)療領(lǐng)域上的應(yīng)用做了相應(yīng)的研究。（南極熊3D打印網(wǎng)編輯發(fā)布。）
    剛才郝永強(qiáng)主任已經(jīng)講了，3D打印在醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用的幾個(gè)方面，內(nèi)植物還有骨科的應(yīng)用，可能是基礎(chǔ)的3D打印，未來(lái)非常有前景的一部分。我們用激光選驅(qū)熔化在骨科方面除了對(duì)鈦合金的具體的應(yīng)用做了哪些呢？我們對(duì)它的性能進(jìn)行調(diào)控，讓它具有很好的抗壓的強(qiáng)度，抗拉的強(qiáng)度，但是它具備了這樣的性能之后，我們跟廣東軍區(qū)總院的丁主任有了一些合作，我們做了結(jié)骨導(dǎo)板，為此我們丁主任在這方面做了很多的臨床的工作，這些金屬的導(dǎo)板是我們幫著做的，它在金屬導(dǎo)板的制造設(shè)計(jì)方面，我們?cè)趺礃幼龈�適用于骨科的應(yīng)用，我們給了相應(yīng)的建議和制造的方案，最后把骨科的金屬的導(dǎo)板做出來(lái)。
    我們不僅做了一些骨科的截骨導(dǎo)板，還有一個(gè)定位的導(dǎo)板，除了這兩個(gè)，我們還做了截骨導(dǎo)板的工具，有一些長(zhǎng)度可以固定，還有跟手術(shù)臺(tái)固定之后，長(zhǎng)度可調(diào)節(jié)，然后做了一個(gè)萬(wàn)能的夾具，直接實(shí)施截骨，這個(gè)效果我們還在等丁主任給我們?cè)u(píng)價(jià)。
    截骨導(dǎo)板是鈦合金做的，我們也研究了骨科的合金，它應(yīng)該是早于鈦合金的，特別是牙科，我們知道骨科合金用得還是蠻多的，3D打印的骨科合金是否滿(mǎn)足生物醫(yī)藥的要求，我們?yōu)榇俗隽撕芏嘈阅芊矫娴难芯�，像它的抗蝕性，熱膨脹的系數(shù)，外面有一層跟陶瓷結(jié)合之后的彎曲的強(qiáng)度，從材料學(xué)的強(qiáng)度上揭示了骨科合金它非常適合做牙的修復(fù)的牙冠、牙橋等修復(fù)體。
    接下來(lái)要講的是，我們做骨科的內(nèi)植物的設(shè)計(jì)這一塊，我們跟郝永強(qiáng)主任想的不一樣，我們是從工程的領(lǐng)域，我們要做仿生的領(lǐng)域，不同的結(jié)構(gòu)孔隙度不一樣，性能不一樣，最后使人體具有自身的功能，這樣的功能又是其他的自然材料不具備的，從我們的設(shè)計(jì)制造工程人員來(lái)說(shuō)，我們要模仿骨科工作的功課來(lái)說(shuō)的，讓它從功能上適合骨的具體的性能，滿(mǎn)足人體的需要。骨的設(shè)計(jì)我們是要滿(mǎn)足他的抗壓的強(qiáng)度，彈性的能量，還有一個(gè)表面要有一定的孔隙，讓生物有利于骨長(zhǎng)度。我們的設(shè)計(jì)方面是把工程上一種先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)結(jié)合到材料加工領(lǐng)域，用骨受力的空況來(lái)設(shè)計(jì)出一個(gè)單元的網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)，我們對(duì)它進(jìn)行振鏈（音譯）得到了這樣的網(wǎng)格，它可以是不同的尺寸，不同的知名度。
    我們得到這樣的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)之后，我們來(lái)測(cè)試它的性能，主要是它彈性的容量，從我們調(diào)研來(lái)看地話(huà)，彈性模量是骨骼比較重要的性能，但是如果我們的植入物植入到牙齒中的，它的彈性能量要高于牙床的彈性的能量，會(huì)造成一些斷裂的情況。所以我們要調(diào)控未來(lái)的骨科設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的未來(lái)的彈性的能量，經(jīng)測(cè)試是跟我們所設(shè)計(jì)的一些網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的參數(shù)是相關(guān)的，他們具有一定的相關(guān)性，通過(guò)這個(gè)相關(guān)性，剛才說(shuō)的是彈性的能量，（圖示）這個(gè)是抗壓的強(qiáng)度，這個(gè)抗壓的強(qiáng)度也是網(wǎng)格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的參數(shù)是相關(guān)的。
    在網(wǎng)格結(jié)構(gòu)性能的研究的過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)我們?cè)O(shè)計(jì)的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，它的破壞形式以及它的性能跟傳統(tǒng)的金屬材料是根本不一樣的。在研究它的破壞形式的時(shí)候，還有其他的性能的時(shí)候，我們發(fā)現(xiàn)我們所制造出來(lái)的材料，它的性能可以按照經(jīng)典材料的模型，符合經(jīng)典材料的模型。有的時(shí)候我們?cè)O(shè)計(jì)了這種結(jié)構(gòu)它性能是可控的，我們完全可以根據(jù)我們的設(shè)計(jì)，通過(guò)我們的調(diào)整來(lái)調(diào)控我們未來(lái)的五個(gè)結(jié)構(gòu)的彈性的能量和抗壓的強(qiáng)度。
    （圖示）左邊這個(gè)是彈性能量的模型，右邊的是抗壓強(qiáng)度的數(shù)據(jù)的模型，理論上符合經(jīng)典材料的理論的。
    為此在這種條件下，我們根據(jù)我們?cè)O(shè)計(jì)的材料，制造出了一種梯度的材料，我們要是模仿骨密植，網(wǎng)格比較粗，彈性比較高。輸送的組織它的彈性模量更低，孔隙更大。這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出來(lái)以后，我們可以把它放在一個(gè)數(shù)學(xué)模型里面，我們可以根據(jù)不同的彈性的模量，通過(guò)調(diào)整我們的設(shè)計(jì)參數(shù)來(lái)得到它的性能。我們現(xiàn)在是研究到這里，未來(lái)我們有了這個(gè)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)之后，既然它的性能是可控的，在它可調(diào)的情況下，我們還要再加上儀表的面積。網(wǎng)格結(jié)構(gòu)新型的可植入物，但是它的尺寸是多大，底表的面積多大，未來(lái)還要經(jīng)過(guò)到我們的研究中，把它耦合到一個(gè)模型里面。這樣的我們就可以按照具體的需求，相應(yīng)的材料的彈性的模量，材料的抗壓的強(qiáng)度，這是衡量一個(gè)骨的基本的性能，我們可以對(duì)它一體化的設(shè)計(jì)，來(lái)滿(mǎn)足人體骨骼的需要。
    這是站在我們通用技術(shù)人員的角度講的，我們站在仿生方面做到最好的情況。這也是拋磚引玉，也希望跟醫(yī)學(xué)的同行們來(lái)共同探討它的可行性和未來(lái)的發(fā)展。
    （圖示）骨的植入需求是非常大的，彈性模量可調(diào)的。我們這個(gè)模型整個(gè)數(shù)學(xué)模型，材料設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型完全建立之后，我們針對(duì)不止是醫(yī)學(xué)的應(yīng)用，最大的還有工程的應(yīng)用，因?yàn)樵谶@個(gè)共同結(jié)構(gòu)的內(nèi)部的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)來(lái)緩沖壓力，這都是我們研究的范圍，我們的研究一旦完成了，等于我們建立了一個(gè)系統(tǒng)，這是一個(gè)材料的減振的設(shè)計(jì)或者說(shuō)彈性的設(shè)計(jì)，一個(gè)大的數(shù)據(jù)庫(kù)。在這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)里面，有一個(gè)分支專(zhuān)門(mén)是為生物工程來(lái)服務(wù)的。
    我們做的醫(yī)學(xué)的東西就是這些，還有一些不拿出來(lái)講了。其實(shí)數(shù)字材料設(shè)計(jì)在國(guó)外也是特別的火，但是大多數(shù)是針對(duì)工程的領(lǐng)域，如果針對(duì)醫(yī)療的領(lǐng)域，還是不多�，F(xiàn)在數(shù)字材料設(shè)計(jì)這一塊，也是一個(gè)非常重要的研究的方向。
    未來(lái)在醫(yī)學(xué)材料加工和應(yīng)用的領(lǐng)域，我們還要繼續(xù)做下去，很多的計(jì)劃已經(jīng)在走了，鎳鈦合金和鎂合金也是我們未來(lái)的發(fā)展。
    謝謝大家！