[科普中國(guó)]-護(hù)目鏡不夠？打印一個(gè)——3D打印如何幫助抗擊疫情？

新冠疫情在世界范圍爆發(fā)，各國(guó)醫(yī)療系統(tǒng)超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。面對(duì)洶涌疫情，中世紀(jì)的人們也許只能束手就擒，但在當(dāng)今社會(huì)，除了醫(yī)學(xué)進(jìn)步，其他新技術(shù)的發(fā)展也為我們提供了很多對(duì)抗病魔的武器，比如， 3D打印技術(shù) 。

由于醫(yī)療物資需求激增，全球供應(yīng)鏈承擔(dān)著巨大的壓力。一些3D打印技術(shù)公司加入了救火隊(duì)員的行列，從檢測(cè)用品到個(gè)人防護(hù)用品……3D打印技術(shù)派上了大用場(chǎng)。

鼻咽拭子不夠？打印！

美國(guó)馬薩諸塞州Formlabs公司主營(yíng)業(yè)務(wù)是銷售3D打印機(jī)。2020年3月，他們突然接到了一筆大訂單： 生產(chǎn)10萬(wàn)支鼻咽拭子，每天。

鼻咽拭子是一種帶有鬃毛的柔性小棒，可以插入待檢驗(yàn)人員的鼻子中采集分泌物樣本。這看似不起眼的小玩意兒，卻是進(jìn)行Covid-19檢測(cè)的必需品 [1] 。

（鼻咽拭子是進(jìn)行Covid-19檢測(cè)的必需品 | Wikimedia Commons）

為了提高鼻咽拭子供應(yīng)量，美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局 （FDA） 與多家研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行協(xié)商，共同制定了一份指南，指導(dǎo)通過(guò)3D打印技術(shù)制造鼻咽拭子。于是，包括 Formlabs在內(nèi)的多家3D打印公司，紛紛開(kāi)足馬力制造鼻咽拭子， 預(yù)期總產(chǎn)量很快提高到每周400萬(wàn)個(gè) 。

3D打印制造

鼻咽拭子只是抗疫戰(zhàn)線中的一個(gè)小環(huán)節(jié)。對(duì)抗新冠疫情， 更重要的設(shè)備是呼吸機(jī) 。呼吸機(jī)，顧名思義，用來(lái)幫助病人呼吸，也是治療新冠肺炎這類疾病的必需品。

呼吸機(jī)可以重復(fù)使用，但其中的連接管路、面罩閥門等關(guān)鍵零件多為需要替換的一次性產(chǎn)品，如果這些零件出現(xiàn)供應(yīng)短缺，就會(huì)影響呼吸機(jī)的使用，進(jìn)而影響患者的治療。

此時(shí)，3D打印技術(shù)憑借快速設(shè)計(jì)、個(gè)性化生產(chǎn)、無(wú)需模具等優(yōu)勢(shì)，成為了醫(yī)療體系中的一根“救命稻草”。

（3D打印的牙齒 | 圖蟲(chóng)創(chuàng)意）

在意大利，醫(yī)院普遍使用文丘里氧氣面罩，其中的關(guān)鍵零部件，就是 文丘里閥 （Venturi valve） ，通過(guò)調(diào)節(jié)閥門的粗細(xì)，可以改變面罩內(nèi)氧氣的濃度。

(文丘里面罩 | 參考資料[2])

但文丘里閥是消耗品，每8小時(shí)就需要更換，以防止病毒滋生和交叉感染。2020年3月13日，意大利北部倫巴第大區(qū)布雷西亞省基亞里的一家地方醫(yī)院，一度陷入了文丘里閥消耗殆盡的情況，多位患者的生命面臨威脅，于是醫(yī)院向外界發(fā)出求助。一家名為Isinnova的科技公司立刻伸出援手，直接將一臺(tái)3D打印機(jī)帶到了醫(yī)院， 在短短數(shù)小時(shí)內(nèi)就完成了模型設(shè)計(jì)并啟動(dòng)了生產(chǎn) 。

隨后24小時(shí)內(nèi)，技術(shù)員們利用6臺(tái)3D打印機(jī)成功生產(chǎn)出100個(gè)文丘里閥，緩解了醫(yī)院的燃眉之急，也為挽救患者生命爭(zhēng)取了時(shí)間。

（意大利技術(shù)創(chuàng)新部長(zhǎng)肯 定3D打印文丘里閥的積極作用 | twitter）

個(gè)人防護(hù)物資，

3D打印也帶來(lái)了新的答案

除了檢測(cè)用品和治療儀器，面罩、護(hù)目鏡之類的防護(hù)物資對(duì)保護(hù)奮戰(zhàn)中的醫(yī)護(hù)人員也是必不可少。但是，這些防護(hù)用品的供不應(yīng)求，一度也成為世界性的難題。

如何快速制造個(gè)人防護(hù)物資？3D打印再次提供了解決方案。

通過(guò)模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)，美國(guó)哥倫比亞大學(xué)的研究人員利用3D打印技術(shù)極大縮短了制造防護(hù)面具的時(shí)間， 僅需原有時(shí)間的三分之二，就可以打造出滿足醫(yī)護(hù)需求的面罩 [3] 。

（面罩的3D打印過(guò)程、面罩分裝和將面罩送到醫(yī)護(hù)人員手中 | 參考資料[3]）

對(duì)抗新冠肺炎過(guò)程中，口罩消耗量巨大，一度告急，而且，現(xiàn)有的口罩設(shè)計(jì)也有一定的改進(jìn)空間，比如通氣閥的過(guò)濾性能尚有欠缺。Mirai Productions公司的研究人員 重新設(shè)計(jì)了3M口罩上的換氣塞，并利用3D打印技術(shù)將它們打印出來(lái) 。這些新型換氣塞可以提高對(duì)氣霧液滴的防護(hù)能力，從而更好地防止病毒傳播 [4] 。

（3M口罩上的換氣塞 | 圖蟲(chóng)創(chuàng)意）

重要的防護(hù)用品還包括護(hù)目鏡。北京大學(xué)第一醫(yī)院呼吸科主任王廣發(fā)曾復(fù)盤自己感染新冠肺炎的過(guò)程，分析原因極有可能是未佩戴護(hù)目鏡導(dǎo)致。 國(guó)內(nèi)的3D打印公司迅速參與到護(hù)目鏡生產(chǎn)中來(lái) ，比如， 2020年2月，湖南云箭集團(tuán)僅用一周時(shí)間，就實(shí)現(xiàn)從零研制到定型生產(chǎn)，生產(chǎn)的第一批500套護(hù)目鏡2月10號(hào)就馳援抗“疫”一線 [5] ；甘肅普瑞特科技有限公司在蘭州周邊醫(yī)院采集了100多例醫(yī)護(hù)人員面部數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)和試穿戴，最終確定生產(chǎn)尼龍和樹(shù)脂兩種材質(zhì)的護(hù)目鏡，2020年3月初，“不會(huì)產(chǎn)生水霧和勒痕”的護(hù)目鏡也已經(jīng)送到了蘭州部分醫(yī)院醫(yī)護(hù)人員手中 [6] 。

除了佩戴舒適，更重要的是，3D打印過(guò)程 可以在幾乎沒(méi)有人員參與的情況下進(jìn)行 ，這樣生產(chǎn)的防護(hù)物資可以最大程度減少感染風(fēng)險(xiǎn)。

（湖南云箭集團(tuán)有限公司利用3D打印技術(shù)生產(chǎn)醫(yī)用護(hù)目鏡 | www.861china.com）

能否直接打印一個(gè)“肺”？

即使有新技術(shù)加持，生命在疾病面前仍是脆弱的。新冠肺炎對(duì)病人肺部損傷巨大，有些患者需要移植肺移植手術(shù)，但并非所有患者都能幸運(yùn)地等來(lái)適合的肺源。

（首例新冠肺炎病例雙肺移植手術(shù) | 澎湃新聞）

現(xiàn)在，3D打印已經(jīng)可以制造出耳朵、血管和骨頭……那么，有沒(méi)有可能，3D打印一個(gè)肺？

有可能的，雖然這要比打印醫(yī)療物資難太多。最主要的難題在于： 肺部的氣道和血管互相交織，形成了復(fù)雜的三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 。

2019年，來(lái)自美國(guó)萊斯大學(xué)等機(jī)構(gòu)的研究者們合作開(kāi)發(fā)了一種分形拓?fù)渌惴?，為?fù)雜纏繞的血管提供了一種有效的建模方法 [7] 。在這一建模方法的基礎(chǔ)上，研究人員用數(shù)字技術(shù)將建好的模型分割成數(shù)千個(gè)單獨(dú)的層，并使用柔軟的生物相容性凝膠作為原料，進(jìn)行高精度的逐層打印，最終成功打印出了一個(gè)人工肺，可以將空氣泵入以模仿呼吸，當(dāng)血液流過(guò)“肺”中網(wǎng)絡(luò)時(shí)，就可以為紅細(xì)胞提供氧氣。

(錯(cuò)綜纏繞的血管網(wǎng)絡(luò) | 參考資料[7])

得益于3D打印的精確控制，這個(gè)僅有硬幣大小的人工肺，其 內(nèi)部最小的血管直徑只有0.3毫米 ——這項(xiàng)研究目前只是對(duì)3D打印肺部做出了初步的嘗試，與能夠?qū)嶋H應(yīng)用還有很大差距。

(比硬幣還小的3D打印肺部 | 參考資料[8])

好在，對(duì)技術(shù)的探索，科學(xué)家一直在繼續(xù)。

“危”與“機(jī)”往往相生相伴，在這次疫情期間，曾在大眾認(rèn)知中被視為“新鮮黑科技”的3D打印技術(shù)，由于可定制、 高度靈活 等特點(diǎn)，為醫(yī)療領(lǐng)域提供了很大助力。前路漫漫，或許它可以做更多。

作者名片

作者：小希

編輯：圓的方塊

排版：雷穎

題圖來(lái)源： www.861china.com

參考資料：

[1]https://www.3dprintingmedia.network/3d-printed-airway-stents-fda-approved/

[2] Tokarczyk A. J., Greenberg S. B., Vender J. S. Oxygen Delivery Systems, Inhalation Therapy, and Respiratory Therapy. Benumof and Hagberg's Airway Management (Third Edition), 2013, 301-323.

[3]https://blogs.cul.columbia.edu/spotlights/2020/03/23/columbia-university-librarians-provide-guide-and-design-for-3d-printable-face-shields/

[4]https://www.3dprintingmedia.network/hong-kong-makers-fought-covid/

[5]https://static.jingjiribao.cn/static/jjrbrss/rsshtml/20200209/225898.html

[6]http://www.bjnews.com.cn/feature/2020/03/10/701915.html

[7]Grigoryan B., et al. Multivascular networks and functional intravascular topologies within biocompatible hydrogels. Science, 2019, 364, 458-464 DOI: 10.1126/science.aav9750

[8] Queeny Dasgupta1 and Lauren D. Black III (2019) A FRESH SLATE for 3D bioprinting. Science. DOI: 10.1126/science.aay0478