瓦克化學(xué)：按需噴墨有機(jī)硅膠3D打印技術(shù)，醫(yī)療創(chuàng)新新利器

△瓦克化學(xué)業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理 張崇峰分享了“有機(jī)硅3D打印創(chuàng)新型解決方案”

2019年5月23日，有機(jī)硅3D打印方案提供商瓦克化學(xué)，在廣州舉辦的第二屆生物醫(yī)療3D打印發(fā)展高峰論壇上，做了“有機(jī)硅3D打印創(chuàng)新型解決方案”的演講分享，現(xiàn)場上百名聽眾受益。


知識背景

有機(jī)硅，是一種在醫(yī)療行業(yè)應(yīng)用廣泛的高分子彈性體，其最大優(yōu)點(diǎn)是成分簡潔，安全可靠，具有良好的生物相容性。相較于其他材料，它具有獨(dú)特的優(yōu)勢：與PVC 材料相比，有機(jī)硅材料不需要添加增塑劑就可以達(dá)到很柔軟的效果；與乳膠材料相比，有機(jī)硅材料沒有致敏的風(fēng)險(xiǎn)；與熱塑性彈性體材料相比，有機(jī)硅材料具有更可靠的耐溫、耐壓變性能。同時(shí)，有機(jī)硅材料本身具有固、液兩大形態(tài)，適用于多種成型工藝，能夠很好地適應(yīng)醫(yī)療行業(yè)紛繁復(fù)雜的加工需求。

△醫(yī)療級硅膠，擠出、注塑、雙色注塑、3D打印等各種生產(chǎn)工藝的對比


△有機(jī)硅3D打印樣件

瓦克化學(xué)，是一家擁有70 多年歷史的有機(jī)硅材料供應(yīng)商，也是全球很早進(jìn)入有機(jī)硅開發(fā)的公司之一。瓦克ACEO®3D 打印技術(shù)是用于液體硅橡膠組件增材制造的工業(yè)級技術(shù)。憑借其獨(dú)特的“按需噴墨”技術(shù)，ACEO® 可確保充分的設(shè)計(jì)自由度，用于打印高功能性部件，同時(shí)保持硅橡膠的耐高溫性、抗輻射性及生物相容性等優(yōu)異性能。采用ACEO® 技術(shù)打印而成的硅橡膠組件廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天、醫(yī)療、設(shè)備行業(yè)以及機(jī)械工程等眾多關(guān)鍵行業(yè)。


一般情況下，有機(jī)硅成型主要采用復(fù)雜的注塑成型工藝：

• 生產(chǎn)商必須首先準(zhǔn)備好模具，
• 然后將液體硅橡膠加壓注入其中。
  

這種方法成本過高，只適合大規(guī)模生產(chǎn)。
有機(jī)硅3D 打印則實(shí)現(xiàn)了全新的部件設(shè)計(jì)：

• 可以覆蓋產(chǎn)品不同的生命周期，無需使用任何工具或模具，便可直接將數(shù)字模型轉(zhuǎn)換為實(shí)物。
  

這種方法降低生產(chǎn)成本、節(jié)省生產(chǎn)時(shí)間、大幅縮短工藝周期，同時(shí)在產(chǎn)品開發(fā)期間快速改進(jìn)產(chǎn)品；另一方面，有機(jī)硅3D 打印還可對結(jié)構(gòu)復(fù)雜的功能性部件和原型件進(jìn)行功能整合。


△ACEO®技術(shù)基于“按需噴墨”打印原理。打印頭將有機(jī)硅微液滴（體素）逐滴沉積在工作平臺上，然后液滴相互融合，形成均質(zhì)有機(jī)硅層。每打印一層有機(jī)硅，系統(tǒng)將立刻使用紫外光將整個(gè)有機(jī)硅層固化。


通過使用支撐材料來生產(chǎn)飛檐或孔洞等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，便能逐層打印出三維物體。打印完成后，將物體從工作平臺上移除，并用水將支撐材料沖洗掉即可。隨后將物體二次硫化，以便去除揮發(fā)物，并實(shí)現(xiàn)最終的機(jī)械性能。

△瓦克化學(xué)的硅膠3D打印系統(tǒng)



△有機(jī)硅3D打印產(chǎn)品的性能。聚合物的粘度較高，這意味著每層厚度通常為 0.4 毫米。因此，打印出來的物體由四個(gè)不同的表面組成：工作平臺上的底面（1）、由最后一層形成的頂面（2）、層狀結(jié)構(gòu)的側(cè)壁（3）以及與支撐材料相接觸的表面（4）。為了實(shí)現(xiàn)不同的粗糙度，需使用兩種支撐材料。從原則上來說，打印完成后，可以在部件表面覆膜，以提升其外觀。


硅膠3D 打印解剖模型


△ACEO® 獨(dú)特的基于有機(jī)硅彈性體的“按需噴墨”技術(shù)可用于打印結(jié)構(gòu)復(fù)雜的三維解剖模型。此類模型模擬生物力學(xué)的逼真度達(dá)到了前所未有的水平。有機(jī)硅彈性體具有出色的柔韌性與彈性，并且易于切割和縫合，尤其適用于復(fù)制血管、心臟、肌肉或皮膚等柔軟的組織。

ACEO® 3D 打印技術(shù)可用于復(fù)制人體器官，制造具有生物相容性的硅橡膠組件，此類組件在科學(xué)領(lǐng)域和醫(yī)療行業(yè)的需求始終持續(xù)增長。近期，瓦克ACEO® 團(tuán)隊(duì)推出了解剖模型系列。它與多家大學(xué)、診所和研究機(jī)構(gòu)的專家共同開發(fā)了一個(gè)包括血管、主動(dòng)脈弓、主動(dòng)脈瓣和三尖瓣模型在內(nèi)的基礎(chǔ)產(chǎn)品系列，并計(jì)劃在大眾市場上推廣。

解剖模型在當(dāng)今的醫(yī)療應(yīng)用中具有顯著優(yōu)勢。它們在臨床訓(xùn)練、手術(shù)計(jì)劃可視性和模擬性、病情告知以及醫(yī)療器械開發(fā)過程中的模擬環(huán)節(jié)均大有用武之地，甚至還可用作精密假肢的定制模型。由于其外觀和觸感比其他材料更接近人體，解剖模型在臨床應(yīng)用、大學(xué)及研究機(jī)構(gòu)中扮演著越來越重要的角色。


硅膠3D打印牙科應(yīng)用

近期，慕尼黑口腔修復(fù)綜合醫(yī)院的牙科實(shí)驗(yàn)室在一個(gè)項(xiàng)目中選用了ACEO®來進(jìn)一步推動(dòng)增材制造的人工牙齦的應(yīng)用。人工牙齦是牙冠生產(chǎn)過程中的植入物�；颊呖谇坏臄�(shù)字印記和物理印記都可獲得，但真實(shí)牙齦的柔軟和敏感是無法進(jìn)行數(shù)字化計(jì)算的。因此，打造完美的牙冠需要一種更真實(shí)的牙齦模型，其材料應(yīng)比石膏更柔軟并且可以改變形狀。

有機(jī)硅的特性與牙齦相似。它們不可滲透并且通過了醫(yī)學(xué)分類IIa 測試，它們具有不同的硬度和顏色，因此3D 打印部件的外形和觸感都很逼真。另一方面，目前尚未開發(fā)出適用于有機(jī)硅加工的減材制造技術(shù)，通過3D 口內(nèi)掃描儀獲取數(shù)據(jù)時(shí)，創(chuàng)建實(shí)體模型的唯一方法是進(jìn)行銑削或打印。ACEO® 使用高質(zhì)量材料，用紫外線固化，并且不添加增塑劑，因此不會影響觸感和機(jī)械性能。它為制造人工牙齦提供了完美的解決方案。


硅膠3D 打印生物模型


生物模型是探索解剖結(jié)構(gòu)及其特性的醫(yī)學(xué)工程。它可分為個(gè)人模型和通用模型。個(gè)人模型可用于術(shù)前測試、假體制造或矯正手術(shù)等目的。通用模型則具有教育功能。

醫(yī)院和口腔頜面等外科醫(yī)生越來越多地對這些模型進(jìn)行單獨(dú)3D 打印。直至今日，3D 打印材料的選擇仍然有限，因此這些模型僅可用于有限用途。同時(shí)，諸如磁共振成像（MRI）和計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）等現(xiàn)代放射學(xué)程序提供的解剖學(xué)數(shù)據(jù)也可用于創(chuàng)建3D 打印有機(jī)硅模型。

3D 打印的生物模型可用于創(chuàng)建具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的有機(jī)結(jié)構(gòu)，并且應(yīng)用范圍廣泛。有機(jī)硅彈性好、可變形且易于切割和縫合無疑也是一大優(yōu)勢。有了這類模型，醫(yī)生便可向病人展示其內(nèi)部器官的情況以及需要采取的治療手段。例如，外科醫(yī)生可以使用成像數(shù)據(jù)3D 打印患者的心臟，并在幾乎真實(shí)的條件下預(yù)習(xí)手術(shù)步驟，從而預(yù)測并減少手術(shù)過程中的突發(fā)問題。


基于MRI 或CT 數(shù)據(jù)的有機(jī)硅3D打印生物模型提供了無限的機(jī)會。未來，各種新應(yīng)用將層出不窮。例如，通過3D打印的定制有機(jī)硅呼吸面罩和助聽器不久即將問世。

前景與挑戰(zhàn)

有機(jī)硅3D 打印是一種新興的技術(shù)，但是已經(jīng)開始逐步有應(yīng)用落地，未來在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用范圍會越來越廣。利用3D打印對復(fù)雜形狀不敏感、無需開模等優(yōu)勢，越來越多的創(chuàng)新設(shè)計(jì)正在涌現(xiàn)，生產(chǎn)效率也得到有效提升。全世界不僅在探索3D 打印在原型打印、小批量及零部件打印方面的潛能，而且越來越多利用真正的3D 結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，例如：解剖模型、晶格結(jié)構(gòu)的使用，以及機(jī)器人抓手等。因此，有機(jī)硅3D 打印仍有巨大的發(fā)展空間。

但是，一項(xiàng)新技術(shù)的發(fā)展總是伴隨著阻礙，由于市場對3D 打印的認(rèn)知不足和資格審查流程標(biāo)準(zhǔn)不明確，市場上出現(xiàn)了一些低性能產(chǎn)品，損害了有機(jī)硅的聲譽(yù)。對于那些并非從傳統(tǒng)流程了解有機(jī)硅的用戶而言，這種情況尤為嚴(yán)重。因此，專業(yè)組織、行業(yè)協(xié)會等機(jī)構(gòu)應(yīng)積極解決有機(jī)硅3D 打印的標(biāo)準(zhǔn)制定問題。制造商應(yīng)與客戶緊密合作，利用有機(jī)硅3D 打印技術(shù)使生產(chǎn)變得更加靈活，能夠?qū)Σ煌�需求快速做出響�?yīng)。（上文轉(zhuǎn)自瓦克化學(xué)、榮格塑料工業(yè)）

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