细说增材制造技术如何为日益庞大的兽医行业带来利好?-金属3D打印工厂

细说增材制造技术如何为日益庞大的兽医行业带来利好?-金属3D打印工厂插图

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       导读:宠物被认为是人类最好的朋友,在我们的生活中占据了很大的位置。当前最受欢迎的动物类型包括狗、猫、鱼和鸟等。与以往相比,如今家庭中的动物数量明显增加。据统计,在2016年全球预计有7680万只狗和5840万只猫被收养,但仅仅四年后,这一数字就分别上升到8370万和6000万。

细说增材制造技术如何为日益庞大的兽医行业带来利好?

      增材制造已被证明可以应用到包括兽医学在内的许多领域,这已不是什么秘密。兽医学是经济中一个庞大且不断增长的部分,仅在美国,目前就有大约12万名兽医从业者来为动物解决各种医疗状况和条件。因此,随着宠物数量的增加,整个行业的价值也在增加,这一点并不奇怪。根据Grand View Research, Inc.的一份报告,到2028年,全球兽医活动市场预计将达到1144亿美元。然而,现在不仅有兽医利用3D打印技术来治疗动物,而且商业公司也在努力开发新的应用,以便他们也能够帮助动物。然而,3D打印在这个领域的局限性和可能性是什么,它又是怎样实施的?

细说增材制造技术如何为日益庞大的兽医行业带来利好?

增材制造在兽医学市场上的应用越来越普遍。在这里,你可以看到为狗的下颚设计的假体(图片来源:Johnny Uday博士)。

兽医对增材制造技术的使用

     当把他们的小动物带到最近的兽医诊所时,没有一个宠物主人会高兴。然而,除了令人讨厌的健康问题,往往还有其他问题,比如高额的治疗费用(假体或矫形器,以及其他必要的治疗、漫长的等待时间、或者没有为宠物提供匹配到合适的治疗产品。值得庆幸的是,有了3D打印技术,许多问题都可以得到解决。此外,材料开发方面的创新使更多的材料得以开发,满足了该领域的各种需求。因此,这些材料能够带来许多好处,如降低成本、缩短等待时间,还能实现高度的定制化。然而,创新方法也可以塑造和简化宠物治疗所需的各个步骤。通常,PEEK、PEKK等材料,以及用于外科手术牙科塑料,如尼龙、PLA和PVA等,在增材制造中都有应用。

增材制造技术在兽医学中的具体应用

     要更深入地了解增材制造如何在兽医学中的应用,首先要了解传统方法。例如,兽医用于治疗的许多传统方法与人类医学中使用的方法相似,有时甚至需要聚焦到细枝末节。然而,尽管动物与人类的治疗有相似之处,但我们必须记住,有些治疗方案根本不可能。通常情况下,在进行手术或制作假体之前的第一步是扫描。一些动物由于本能和其他问题(特别是与能够静止不动有关的问题)而不适合使用标准的兽医CT扫描仪,第一个挑战已经出现在这里,这时我们就可以看到转向3D技术的好处。

传统的动物医生会使用镇静剂,即使用镇静剂来安抚中枢神经系统的功能,但这也需要支出高成本和时间。有了3D扫描,不仅可以快速进行扫描,也不需要镇静剂,而且还可以以高度的精度进行扫描。由于这是一个便携式的设备,它可以毫无阻碍地扫描任何种类的动物,而不像传统的CT扫描机面对那些危险的动物(如鳄鱼或生活在水中的动物)就毫无用武之地了。

三维扫描短吻鳄(Mister Stubbs)是应该很好的说明案例,2013年科学家在一辆半挂车上发现了一只断了尾巴的鳄鱼。虽然这看起来微不足道,但鳄鱼的尾巴不仅用于在水中移动和转向,而且脂肪也储存在尾巴的根部,对动物的健康至关重要。为了帮助鳄鱼复原,位于亚利桑那州格兰岱尔的中西部大学使用Artec三维扫描仪扫描了一条最近死亡的鳄鱼的尾巴。研究人员按照Stubbs的确切尺寸进行了些许改造,使用3D扫描捕捉到了尾巴的所有细节,最终为它创造一个新的尾巴。

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使用传统方法,可能无法获得如此精确的尾巴图像(图片来源:STAX3D via Artec)。

增材制造的个性化定制

当涉及到动物治疗时,兽医和动物医院可以通过使用增材制造实现广泛的积极效益。仅举几例,它可用于生产假肢、矫形器、植入物、牙齿部件或甚至适合手术前的定制模型。考虑到由于不同动物物种的不同生物条件和需求,需要考虑的因素数量增加到无法估量,其好处是显而易见的。例如,像狗这样的动物,其解剖结构在不同的品种之间有很大的不同:例如,你把一只成年的纽芬兰犬和一只腊肠犬进行比较就会发现很大的差异。很明显,治疗的个性化是非常必要的。

3D打印的矫形器和假肢可以维持五年之久,这也进一步促进了该技术在兽医学中的应用。打印的夹板附着在动物身体上,作为一种矫形辅助工具,使关节、骨骼甚至肌肉都能得到缓解、稳定或纠正。其中一个案例就是动物医生为一只三个月大的猫制作的3D打印假肢,这个小猫出生时胸壁有罕见的先天性畸形。兽医博士MatteoZanfabro求助于3D打印技术,来帮助解决这只猫的有可能致命的畸形。治疗的夹板由PETG制成,用Ultimaker S3进行3D打印,不仅可以根据小猫的大小和畸形情况进行单独调整,而且在此过程中还可以考虑到动物的成长。为了提供必要的稳定性,夹板用手术线封闭,并装有填充物。3D打印技术的优势在这里得到了体现:在使用增材制造的夹板后,这只小猫没有再出现运动障碍。

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△3D打印夹板、假肢和矫形器不仅可以简化动物的生活,还可以拯救它们(图片来源:Matteo Zanfabro via PlayVet)

但这还不是全部。在他们的工作过程中,来自科希策斯洛伐克科技大学的一个研究小组一直在解决增材制造在兽医正畸领域的好处问题。以一只15个月大的拉布拉多犬为例,它在玩耍时掉了一颗对进食很重要的牙齿,他们展示了使用增材制造的可能性。由于这颗牙齿不会再长出来,但对防止营养不良也至关重要,因此需要一个个性化的解决方案。他们对这只年轻狗的下巴上仍然存在的同样的牙齿进行了扫描,以便利用金属3D打印技术将这一扫描结果制造成一个植入物。在这种情况下选择增材制造的原因之一是,一方面可以进行精确的扫描,另一方面,打印必须非常精确,因为新制作的牙齿必须完美地融入现有的牙齿间隙中。经过再生阶段,这只拉布拉多犬的增材制造牙齿甚至比它的天然牙齿更硬、更耐用。

考虑到动物的牙齿问题,5年前开始采用增材制造技术的兽医Johnny Uday博士对其他潜在的挑战提出了见解:”牙齿问题非常普遍,破坏了许多宠物的下颚,导致骨裂(大洞)的断裂。然而,由于狗的体型各不相同,标准化的钢板可能太大或者太笨重,造成的损害比帮助更大。因此,这项技术的一个很好的应用是开发个性化定制的钢板,这样你就可以有一个完美的配合和尺寸,甚至可以规划钻孔,以避免损坏牙根、血管束、神经、淋巴系统和其他对正常功能和正常愈合至关重要的结构。”

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由于有了3D打印的牙齿,这只狗又可以吃东西了(图片来源:TU Košice)

此外,兽医学中的快速成型制造非常适合于创建手术和解剖模型。在这里,手术模型特别有助于兽医实现更好的手术效果,同时可以大大减少手术时间。具体来说,这些是3D打印的模板,包含各自动物患者的精确切割平面和孔,允许外科医生提前在这些模板上进行练习。这不仅适用于难度大和罕见的手术,也适用于骨科损伤,如十字韧带撕裂,甚至先天性肢体问题。解剖模型可以区分为针灸、器官、骨骼甚至运动模型,也给兽医提供了很大的帮助。然而,这些三维模型不仅是兽医的优势,也是学生和未来兽医的优势,并相应地起到学习和研究的作用。

当增材制造被应用于兽医学时,它对狗、猫、鸡或牛都起到了很大的作用。然而,对于小型动物,如吉娃娃、青蛙或仓鼠,这就比较复杂了。Johnny Uday博士解释说,其原因是它们的解剖结构很小,这使得创建切口指南以及植入物比大型动物更具挑战性。然而,当涉及到在工作流程中应用3D打印技术时,最大的挑战可能是如何能够学好这项技术。Johnny Uday博士指出,对各种软件以及3D打印用生物材料的学习至关重要。

商业公司对兽医用增材制造技术的开发

虽然已经有许多兽医在利用增材制造,但企业也发现了这个领域的巨大潜力。因此,在兽医领域使用增材制造技术的公司名单正在增加。仅举几例:Think3DDD、PlayVet、CABIOMEDE、DiveDesign或甚至Formlabs和Artec3D。在这种情况下,兽医和商业公司之间存在的主要区别主要是教育背景,在商业公司工作的个人主要持有工程学位,而兽医当然持有兽医学学位。此外,二者的背景也不同:公司制造和销售这些产品,并因此为自己开发了一个市场,提供他们的服务和产品性能。相比之下,兽医借助增材制造来更有效地工作,改善他们的工作流程,以及将增材制造作为整体的一部分。然而,尽管教育背景不同,但目标是相同的,那就是利用增材制造拯救动物生命或简化救治流程。

位于柏林的Think3DDD由TinoJacobi创立,他解释说:“由于3D打印医疗器械的高度定制化,所以学科交叉是必要的,这就是为什么我们与治疗的兽医合作非常密切。因此,我们根据兽医提供的信息制造一个合适的矫形器或假体,而兽医则陪同治疗。”

NordicVet3D公司的所有者AlexanderThen则表示,市面上仍有大量的兽医不采纳增材制造技术。他解释说:”除了经济原因外,我看不出有什么理由不使用它们。3D打印的优势比比皆是,例如,我们可以检查我们想要使用的螺钉和钢板是否是最适合每个人的情况。这最大限度地减少了失败或需要重新手术的风险,而重新手术与死亡率和发病率的增加有关。它还被证明可以减少手术时间,从而减少手术的实际成本。”

就过程、技术和过程中使用的材料而言,第一步是3D扫描,由于有扫描应用程序,甚至可以用智能手机完成。一旦进行了扫描,无论是在公司所在地还是在兽医那里,软件被用来开发数字图像,例如,假体或矫形器。经过3D打印和后期处理后,可以直接佩戴。当使用FDM/FFF技术时,可以使用多种不同厚度的热塑性聚氨酯塑料(TPU)、聚丙烯(PP)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PET)和其他材料。

细说增材制造技术如何为日益庞大的兽医行业带来利好?

在Think3DDD,通过智能手机进行扫描,然后生成文件,最后进行3D打印(图片来源:Think3DDD)

增材制造在兽医学中的局限性

     虽然增材制造在兽医学中的应用所带来的好处远远超过了问题和挑战,但这一领域的应用仍然存在着局限性。尽管用于动物的可植入材料的范围已经非常广泛,但相比之下,生物相容性材料的选择仍然非常有限。此外,在增材制造的植入物中形成的生物膜是主要问题之一。这种生物膜是一种细菌的联合体,特别具有抵抗力,而且难以清除。由于这样的生物膜现在也可以在3D打印的植入物上形成,Uday博士认为这里的挑战特别大。

    谈到增材制造在兽医领域的其他挑战,PlayVet公司的Matteo Zanfabro指出,兽医工作中使用如此多的不同材料,本身就是一个挑战。重要的是要清楚,根据不同的应用,材料必须包含从非常坚硬的塑料到可降解材料的各种特性。特别是由于总是需要在质量和生产时间之间找到最佳的折衷办法。Matteo Zanfabro还提到,制造商的3D打印规格与实际结果不符是一个问题,这就是为什么他们需要尝试、测试和验证每种材料和每个制造商,以确保材料适合产品和加工。这个过程不仅耗时,而且成本很高,这种类型的质量测试需要几周时间。

     需要承认的是,由于增材制造技术的出现,许多动物的生命已经得到了拯救,而且这个名单还在不断地增加!这就是增材制造的作用。虽然对于商业公司和兽医来说,有更容易和更难解决的案例,但当下的一切挑战也为增材制造在兽医学内的应用提供了新的机会。

(责任编辑:admin)

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