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3D打印：从想象到现实 [:1700398805]
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3D打印生命阶梯
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在特拉华州一所高中的毕业典礼演讲中，乔·拜登描述了一个美妙的未来：“通过使用3D打印机，我们将能够使受到外伤或烧伤的组织复原。这一目标指日可待。”拜登的说法虽有点儿大胆，但并非完全不靠谱。
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让我们从位于阶梯底层—替换无生命的“身体部位”，如牙冠或假肢说起。第一波3D打印身体部位的商用浪潮已经出现，这些部位就位于行走中的普通人的身体中—可能也包括你。3D打印的骨植入物、牙冠、隐形眼镜与助听器等无生命修复形式已经存在于世界各地成千上万人的体内。
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菲尔·里夫斯是致力于3D打印行业的咨询公司Econolyst的总经理。据他估计，目前“全球3D打印助听器的使用者大约有上千万”。隐藏在病人牙齿上以矫正牙齿的隐适美（3D打印的、可定制的、透明的一次性塑料矫正器）已经取得了巨大的商业成功。据估计，目前全球3D打印牙种植体的使用数量已经达到50万~75万个。
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与3D打印的高端钛合金飞机部件一样，3D打印的人体部位也意味着小批量、数字化的定制生产。3D打印牙齿、助听器以及矫正器的过程都很相似：先对身体出现问题的部位进行扫描，再将扫描数据发送到一个特殊实验室，在那里这些数据被调整为可行性设计文件，最后，按照设计文件用软橡胶、坚硬而有光泽的陶瓷或者柔软而有弹性的透明塑料进行3D打印。
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图7–2 每天3D打印约5万个定制隐适美矫正器
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图片来源：Align Technology, Inc.
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目前，3D打印身体部位采用单一的材料，如金属、陶瓷或塑料。它们具有商业意义，因为它们的市场价值来自它们能够与一个形状特殊的身体紧密贴合。它们可自定义形状、可小批量生产，对于制造商而言不存在规模经济（可获利），这些特征使它们成为3D打印的完美对象。这也使过去的监管障碍变得相对简单。与活性组织或药物不同，在身体中植入“螺栓组件”涉及更少的健康风险，其副作用也是可以预见的。
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怎样的假肢富有吸引力？据美国一个倡导组织—截肢者联盟（Amputee Coalition）发布，目前美国约有200万人使用假肢。他们使用的假肢与从残酷的“二战”战场上退役的士兵们使用的假肢相比并没有很大改变。假手由金属制造，通过钳形的钩子可以抓住小型物品。
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总部位于旧金山的小公司Bespoke Innovations（定制创新公司）设计并3D打印定制假肢，该公司最近被3D系统公司收购。该公司的创始人之一斯科特·萨米特说：“制造假肢的方法多年来并没有发生太大的改变：将一块泡沫粗略削成一个人腿的形状，然后做一个模具，把泡沫放入其中，去掉多余部分。”
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假肢制造科学实现的大飞跃应归功于医学成像技术、设计软件以及新材料的改进，而3D打印为截肢者和医生带来了全新的高度定制化。Bespoke公司设计的3D打印假肢可以与使用者的身体和生活方式充分吻合并迎合他们的审美。
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Bespoke公司的制造过程首先是对患者“健康”的腿和他们目前的假肢进行扫描，对扫描数据建模形成设计文件，然后将“健康”的腿叠加到假腿的数字图像上，以确保新定制的肢体能够保持身体的对称。当客户选定属于自己的独特设计后，Bespoke公司将其3D打印出来。
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图7–3 一个时尚的假肢
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图片来源：3D Systems
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Bespoke公司的在线工具（Configurator）允许客户对一系列设计风格进行选择，包括腿的图案、镀层材料以及罩面漆，通过生动的时尚赛车图案或别致的文身满足并体现使用者的喜好。该公司将其制造的假肢命名为“fairings”（美妙的罩），取义专业、时尚、高端的摩托车外罩。
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Bespoke公司网站是这样介绍其产品的：“Bespoke Fairings……不仅使已失去的外形得以修复，更是一种前所未有的个性表达。”使用Bespoke假肢的人的照片显示了他们心态的转变：过去总是隐藏他们的假肢，而现在Bespoke的客户则是自豪地穿着他们的假肢。
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如果我们回到“3D打印生命阶梯”并上升一个梯级，我们将来到3D打印骨植入物。3D打印骨植入物与人造关节目前仍是探索性医学课题。截至目前，使用3D打印的定制钛合金人造关节的患者是幸运的（或者可以说有足够的勇气），他们接受了先进的或者说试验性的医疗。
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绝大部分标准的聚合物或钛合金骨替代物是注塑模具。那些限制塑料或金属机器部件制造的条件同样也限制骨骼制造。例如，不同的骨骼部位必须分别注模，然后再组装起来。刚成形的骨骼需要精确的冷却条件以保证它们不会收缩或变形并保持清洁。冷却过度可能使一块新聚合物骨骼变得易碎，而冷却不足将导致骨骼太软，使用时易受到污损。
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3D打印的钛骨植入物已获得监管部门的批准，但打印的聚合物骨植入物还没有被批准。一旦打印的聚合物骨植入物获得监管部门的批准，它们将带来新的发展，因为聚合物具有钛和陶瓷所缺乏的特性。例如，3D打印的聚合物骨骼可以注入具有生物活性的促进骨生长的添加剂和活性药物成分，如抗生素或消炎药。一个3D打印的头骨可以以无可比拟的精度喷射这些具有生物活性的化学物质。
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2012年有一则轰动全球的新闻，一支外科医疗团队完成了一个极具挑战性的手术：他们将3D打印的钛合金骨插入一位83岁患有口腔癌的比利时妇女的下巴。医疗团队首先对她的下巴进行了CT扫描。然后埃克兹洛克设计与移植公司（Xilloc）将CT扫描数据转换成可打印的设计文件，并通过计算机算法在下颌骨上增加了数千个不规则的凹槽和空洞。通过这种方式，她的血管、肌肉和神经可以更快地与新下颌骨结合，从而完全融入她的身体。
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