护目镜不够打印一个?3D打印如何帮助抗击疫情?

新冠疫情在世界范围爆发,各国医疗系统超负荷运转。面对汹涌疫情,中世纪的人们也许只能束手就擒,但在当今社会,除了医学进步,其他新技术的发展也为我们提供了很多对抗病魔的武器,比如,3D打印技术。

由于医疗物资需求激增,全球供应链承担着巨大的压力。一些3D打印技术公司加入了救火队员的行列,从检测用品到个人防护用品……3D打印技术派上了大用场。

美国马萨诸塞州Formlabs公司主营业务是销售3D打印机。2020年3月,他们突然接到了一笔大订单:生产10万支鼻咽拭子,每天。

鼻咽拭子是一种带有鬃毛的柔性小棒,可以插入待检验人员的鼻子中采集分泌物样本。这看似不起眼的小玩意儿,却是进行Covid-19检测的必需品[1]。

鼻咽拭子是进行Covid-19检测的必需品 Wikimedia Commons

为了提高鼻咽拭子供应量,美国食品药品监督管理局(FDA)与多家研究机构进行协商,共同制定了一份指南,指导通过3D打印技术制造鼻咽拭子。于是,包括 Formlabs在内的多家3D打印公司,纷纷开足马力制造鼻咽拭子,预期总产量很快提高到每周400万个。

鼻咽拭子只是抗疫战线中的一个小环节。对抗新冠疫情,更重要的设备是呼吸机。呼吸机,顾名思义,用来帮助病人呼吸,也是治疗新冠肺炎这类疾病的必需品。

呼吸机可以重复使用,但其中的连接管路、面罩阀门等关键零件多为需要替换的一次性产品,如果这些零件出现供应短缺,就会影响呼吸机的使用,进而影响患者的治疗。

此时,3D打印技术凭借快速设计、个性化生产、无需模具等优势,成为了医疗体系中的一根“救命稻草”。

在意大利,医院普遍使用文丘里氧气面罩,其中的关键零部件,就是文丘里阀(Venturi valve),通过调节阀门的粗细,可以改变面罩内氧气的浓度。

但文丘里阀是消耗品,每8小时就需要更换,以防止病毒滋生和交叉感染。2020年3月13日,意大利北部伦巴第大区布雷西亚省基亚里的一家地方医院,一度陷入了文丘里阀消耗殆尽的情况,多位患者的生命面临威胁,于是医院向外界发出求助。一家名为Isinnova的科技公司立刻伸出援手,直接将一台3D打印机带到了医院,在短短数小时内就完成了模型设计并启动了生产。

随后24小时内,技术员们利用6台3D打印机成功生产出100个文丘里阀,缓解了医院的燃眉之急,也为挽救患者生命争取了时间。

除了检测用品和治疗仪器,面罩、护目镜之类的防护物资对保护奋战中的医护人员也是必不可少。但是,这些防护用品的供不应求,一度也成为世界性的难题。

通过模型的优化设计,美国哥伦比亚大学的研究人员利用3D打印技术极大缩短了制造防护面具的时间,仅需原有时间的三分之二,就可以打造出满足医护需求的面罩[3]。

对抗新冠肺炎过程中,口罩消耗量巨大,一度告急,而且,现有的口罩设计也有一定的改进空间,比如通气阀的过滤性能尚有欠缺。Mirai Productions公司的研究人员重新设计了3M口罩上的换气塞,并利用3D打印技术将它们打印出来。这些新型换气塞可以提高对气雾液滴的防护能力,从而更好地防止病毒传播[4]。

重要的防护用品还包括护目镜。北京大学第一医院呼吸科主任王广发曾复盘自己感染新冠肺炎的过程,分析原因极有可能是未佩戴护目镜导致。国内的3D打印公司迅速参与到护目镜生产中来,比如, 2020年2月,湖南云箭集团仅用一周时间,就实现从零研制到定型生产,生产的第一批500套护目镜2月10号就驰援抗“疫”一线];甘肃普瑞特科技有限公司在兰州周边医院采集了100多例医护人员面部数据,经过反复试验和试穿戴,最终确定生产尼龙和树脂两种材质的护目镜,2020年3月初,“不会产生水雾和勒痕”的护目镜也已经送到了兰州部分医院医护人员手中[6]。

除了佩戴舒适,更重要的是,3D打印过程可以在几乎没有人员参与的情况下进行,这样生产的防护物资可以最大程度减少感染风险。

即使有新技术加持,生命在疾病面前仍是脆弱的。新冠肺炎对病人肺部损伤巨大,有些患者需要移植肺移植手术,但并非所有患者都能幸运地等来适合的肺源。

现在,3D打印已经可以制造出耳朵、血管和骨头……那么,有没有可能,3D打印一个肺?

有可能的,虽然这要比打印医疗物资难太多。最主要的难题在于:肺部的气道和血管互相交织,形成了复杂的三维拓扑结构。

2019年,来自美国莱斯大学等机构的研究者们合作开发了一种分形拓扑算法,为复杂缠绕的血管提供了一种有效的建模方法[7]。在这一建模方法的基础上,研究人员用数字技术将建好的模型分割成数千个单独的层,并使用柔软的生物相容性凝胶作为原料,进行高精度的逐层打印,最终成功打印出了一个人工肺,可以将空气泵入以模仿呼吸,当血液流过“肺”中网络时,就可以为红细胞提供氧气。

得益于3D打印的精确控制,这个仅有硬币大小的人工肺,其内部最小的血管直径只有0.3毫米——这项研究目前只是对3D打印肺部做出了初步的尝试,与能够实际应用还有很大差距。

“危”与“机”往往相生相伴,在这次疫情期间,曾在大众认知中被视为“新鲜黑科技”的3D打印技术,由于可定制、高度灵活等特点,为医疗领域提供了很大助力。前路漫漫,或许它可以做更多。

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