为了全面了解增材制造在医疗领域的应用，有必要了解3D打印过程的工作原理。增材制造不同于其他制造方法。材料不是铸造的，因为它会在注塑件的制造，或从一个较大的块切割，因为是与数控加工的情况下。
正如“添加剂”一词所暗示的那样，这种材料是添加分层技术。即使各个增材方法在精确工艺和材料上有所不同，但分层生产的过程仍然是相同的。与其他工艺相比，这使得零件设计和可能的几何形状更自由。
从早期开始，3D打印就出现了很大的差异，许多制造工艺差异很大。目前用于医疗产品生产的最重要的制造工艺是直接金属激光烧结和立体光刻。
原则上，打印DMLS部件的程序仅与其他增材制造方法略有不同。支撑结构可以散热，保证部件的稳定性。如果没有支撑结构，在打印过程中就会有擦去新材料的风险。
DMLS使用计算机控制的高功率激光束将金属粉末层熔化并融合在一起。这种熔化和熔合过程是一层一层地进行的，最终生产出固体的成品部件。
一旦完成，组件从其支撑结构中释放出来，多余的金属粉末根据其应用进行后处理。大量金属适合使用DMLS生产，包括钛合金，这对医学很重要，例如在骨植入物的生产中。
立体光刻可与其他增材制造方法相媲美。它打印具有复杂几何形状或非常小的结构的聚合物和塑料，这些结构需要特定的刚性，抗冲击性或耐久性。
与DMLS一样，它使用激光来进行实际的打印。然而，与DMLS不同的是，原料不是粉末形式，而是由光聚合物和添加剂组成的树脂。紫外线激光把这种树脂硬化成热固性塑料。构建平台在每个阶段都降低，确保一层新的树脂覆盖组件，然后通过激光硬化成所需的形状。
零件生产完成后，在后处理中清洗掉残留的树脂，移除支撑结构。最后，零件经过一个紫外线固化循环，使零件的外表面完全固化。
值得注意的是一种名为MicroFine™Green的新材料。使用立体光刻技术，它可以生产出特别精细、高分辨率的结构，例如微型导管或微创工具。
3D打印出现后不久，医疗行业就采用了它。最初，能够轻松生产单个部件(如医疗设备外壳)的好处被证明是开创性的。此后不久，业界认识到DMLS的潜力，并进行了第一次植入物的生产。
目前，植入物是医疗行业中生产最广泛的3D打印部件。它们提供了一系列的优势，特别是当涉及到骨材料的替换时。这些部件使用CAD文件打印，通常使用医学成像技术生成。
3D打印植入物的应用
由于植入物通常是用于明确目的的定制产品，因此增材制造是理想的，因为它能够快速且经济地生产独特的产品。
直到最近，这些类型的植入物通常都是大批量生产的，然后由外科医生根据病人的需要进行调整。
它可以制作简单的部件，如股骨植入物或髋骨，为个体患者量身定制，图形关节，颧骨和颌骨，以及复杂的植入物，如眶植入物，颅骨和胸椎植入物。人工牙的植入/附着现在是3D打印的标准应用。
由于3D打印相对较快的制造时间和按需生产的可能性(即，在需要时植入物)，医疗部门越来越认识到这项技术的好处，并将其用于标准植入物，例如脊柱中的单个椎骨以及更多定制选项。
3D打印植入物的优势
3D打印在医学上的好处与其他工业领域类似。首先，3D打印在设计单个植入物时提供了广泛的可能性。其他制造工艺根本无法创建3D打印可能实现的几何形状，因此不太适合使用。增材制造在制造过程中允许的灵活性，也使晶格和海绵结构的集成能够大大提高植入物的生物相容性，有助于提高其与内源性材料集成的能力。
对于医院和健康保险公司来说，个别的专门植入物比使用传统方法生产的植入物更具成本效益，这是一个优势。其他制造过程需要在特殊工具和设备上进行大量投资，以适应每种情况下的单个植入物。在3D打印中，由于更灵活的制造过程，这些额外的成本被消除了。使用增材制造生产的特殊植入物不需要昂贵的返工。
3d打印植入物的材料和法律要求
通过使用DMLS制造零件，植入物可以直接从适合医学的材料打印出来。对于髋骨或眼眶植入物，在大多数情况下使用Ti6Al4V——一种主要成分是钛的合金。这种合金的特点是其高生物相容性和巨大的强度和稳定性，同时相对较轻。另一种用于医疗3D打印的材料是不锈钢316L。
相比之下，当通过铣削或铸造生产标准植入物时，所使用的材料具有较差的生物相容性等级，这意味着除了生产外，它们还需要添加钛涂层。
植入物的生产必须遵守法律规定，特别是在材料的选择方面。对于Ti6Al4V，法律要求包括ISO 5832-3, ASTM F1472和ASTM B348，它们将材料和化学成分分类为适合用于医学。特殊植入物不需要CE认证。最终，关于植入物是否适合患者以及如何适合患者的责任和决定取决于相关医生。3D打印在这一领域的另一个优势是，许多材料是医疗行业所熟悉的。这些材料必须满足的严格标准和法规不受3D打印的影响。因此，没有什么可以阻止它们在增材制造过程后被医疗行业使用。
3D打印在医学领域取得进展的另一个重要领域是生产个人医疗设备和定制产品。这些设备通常用于短期使用，以执行特定任务。
特殊模板和单个部件
外科辅助设备通常需要针对个别患者和相应的手术进行专门设计，例如帮助钻孔颅骨达到毫米精度的模板。由于使用DMLS(可以实现小于1毫米的单个特征-取决于材料的生物相容性和预期应用)等工艺的精度很高，因此使用3D打印具有巨大的好处。对钻段进行精确的CT扫描可以创建精确的文件，从而可以快速生产零件。由此产生的基于需求的钻井模板允许更精确的工作，并有助于避免操作过程中的危险错误。
另一种用于生产医疗设备和定制产品的增材制造材料是相对较新的MicroFine™Green。使用这种亮绿色材料来创建微观结构，开辟了一系列可能的应用，这在以前的医疗3D打印中是不可行的。起搏器的单个部件，尺寸只有一毫米的一小部分，就像微型导管或液体和气体注入器一样可以想象。
通过使用DMLS和立体光刻等工艺来打印复杂的几何形状，增材制造为医疗行业生产的产品几乎没有任何限制。
医疗器械
除了为不同患者的具体手术提供模板外，新的制造方法还允许手术室医疗器械的创新。3D打印可以更容易地制造出以前在经济上不可行的仪器，在某些情况下甚至是不可能的。
例如，DMLS可以生产允许特殊钻孔或切口的手术设备，这在医学上可能会反复出现。增材制造的应用还包括其他专门的医疗器械，以更好地缝合手术伤口或在手术过程中用作工具。为外科医生量身定做的器械，比如手术刀的手柄，就是一个例子。使用添加剂生产的特殊塑料制造的部件也可以使用，例如作为高度专业化的支架或垫片。
3D打印部件在医疗行业的广泛使用是可能的，因为材料和方法结合了一系列的好处，包括;机械强度高，清洁度高，易清洗，无菌性好。与传统的生产方法相比，为单一任务或目的设计的零件也更便宜。
3D打印部件在假肢上也有很多应用。
长期以来，3D打印一直是一种有用的制造工艺，用于特殊适应的假肢和矫形器。与其他制造工艺相比，3D打印允许您生产专门为个体患者量身定制的单个部件，成本低，快速方便。
在矫形器和义肢的生产中，零件都必须经过特殊的调整。然而，在假肢中，缺失的肢体或身体部位被替换，而在矫形器中，目标通常更多的是支持或固定单个肢体或关节。在这两种情况下，增材制造都有助于将创新理念更快、更经济地推向市场。这样，那些迫切需要这些医疗辅助设备的人可以更快地得到帮助。
这方面的一个例子是外骨骼更快的产品开发-即矫形器，它允许用户更好地运作肌肉骨骼系统。
注射成型等制造过程通常需要很长时间，而3D打印部件的等待时间要短得多。3D打印在创新假肢的生产中也有类似的优势，这些假肢需要专门适应各自的佩戴者，或者在外骨骼等尚未经历产品开发周期的新一代假肢的原型和整个新一代假肢中也有类似的优势。
与几年前相比，CT和MRI等现代成像技术使医生对人体有了更好的了解。这些方法对医生在日常工作中诊断疾病起到了至关重要的作用。这些诊断成像技术在为复杂的程序和手术做准备方面也有重要的影响。
这是增材制造工艺可以提供帮助的另一个领域。现代成像技术非常精确，可以用来创建3D打印的相关器官模型，外科医生可以在实际手术之前在其上进行手术试验。这些模型也适用于确定最佳方法或尝试对患者没有风险的高风险程序。由于柔性材料也可以使用增材制造进行打印，因此模型也可以具有您期望从生物材料中获得的特性。
用于研究和培训的复制品
使用增材制造技术制造各种材料制成的器官和骨骼部件的复制品也为大学和学院提供了深入了解人体的机会。
虽然传统的解剖部位复制品往往是昂贵的，分辨率和质量差，今天的3D打印复制品提供了一个可行的替代传统的建模。为手术准备制作的模型可以用来训练医学生，说明人体的故障，并在现实的例子中展示疾病。
这些例子的可复制性是3D打印的一个主要优势。特别是在涉及特定身体部位或器官的情况下，您可以为全世界的医学院系生成任意数量的模型。
在最近几年和几十年里，很少有新技术像增材制造那样对医学研究产生如此大的影响。目前，增材工艺的发展和创造的可能性仍处于起步阶段。在未来几十年里，各种新的现代应用正在进行中，这些应用可能会改变医学界以及我们对治疗和护理的理解。
到目前为止，用于医药的金属和塑料都非常适合3D打印。这些材料可以帮助病人护理，但当涉及到生活材料时，它们很快就会达到极限。例如，已经有了第一个3D打印的复制整个器官的原型，比如心脏;但由于这种材料不是有机的，不是为永久留在体内而设计的，也不是为日常生活的高压力而设计的，所以目前只用于个人原型。开发人员和研究人员现在正致力于创新/改进未来印刷有机材料的工艺。
目前的实验主要集中在将纤维素和有机材料中的额外组织应用于现有结构，然后适合植入，从而产生功能组织。这种技术一旦得到充分开发和使用，其好处将是巨大的。机器可以制造血管、器官或肌肉组织，然后植入人体。研究项目，如通过3D打印制造的人造心脏，已经证明了整个器官的复制品可以工作，并且有可能挽救生命。通过延长和改进这种系统，植入物的寿命可以从几个小时延长到医学上有用的时间间隔。
除了这项研究之外，正在进行的其他实验可能会改善未来的医疗保健。例如，目前正在进行的工作是用所谓的生物打印工艺生产人类皮肤，生产生物假体，如耳朵，以及直接在病人身上打印有机材料。3D打印组织也非常适合新药和医疗应用的试验和测试。未来，最好的情况是动物和人体试验测试新的活性物质将变得多余。
3D打印在医疗领域的创新力量几乎是无限的。这是因为它的灵活性，例如在复杂几何形状的生产中。这是一个主要的好处，特别是考虑到一些医疗应用程序的复杂性，这些应用程序通常涉及在难以进入的区域工作，几乎没有错误的余地。
当谈到增材制造和医疗应用时，人们建议医院和研究机构可能需要自己的机器，并且能够毫无问题地使用它们。目前情况并非如此，专业公司是植入物、矫形器、假体等的主要制造商，然后将其发送给医院或最终用户。医院地下室的3D打印机短期内不太可能普及。
造成这种情况的一个重要原因是，例如，用于生产钛制成的骨植入物的机器购买和使用非常昂贵，并且打印植入物的额外后处理会产生额外的费用。此外，使用增材制造工艺和机器需要大量的专业知识和培训。事实上，这些程序将更加差异化，专业公司有更广泛的生产选择，这是反对在医院直接使用它的另一个理由。
相反，医院和医疗专业人员以及专门从事原型生产和增材制造现代制造流程的公司之间的合作将扩大，并变得更加相互关联。由于各种各样的新应用已经出现，增材制造在医学中的重要性将继续增加。未来几代医生会想知道，没有3D打印，医学是如何运作的。
虽然3D打印已经伴随我们近40年，并不断发展，但这种制造技术在医学上的应用仍然相对较新。然而，3D打印的好处已经被医学界迅速认识到，它的应用已经非常多样化。
对于任何类型的植入物，针对手术、医疗器械的特定设计，以及使用3D打印部件进行准备、研究和培训，其他技术正在逐渐消失。随着医疗器械质量管理体系- ISO 13485 -在3D打印供应链中得到认可，增材制造能够满足世界各地严格的立法要求。
未来，新的材料和工艺将增加3D打印对医学的重要性，很难想象没有它的患者和医生的日常生活。科学和应用研究长期以来一直致力于应用，这些应用将超出许多医生最疯狂的期望。事实上，如果说增材制造带来了医药行业的繁荣，那也是轻描淡写了。
对于生病和受伤的人来说，3D打印有望提高康复的机会，减轻疼痛，提高生活质量，这无疑是最重要的目标。