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广义与狭义的数字材料
作者:王文林[1] 
单位:广东省第二人民医院[1]  
文章号:W141227  
2019/11/29 14:37:32    
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  数字材料是一种新概念的修复材料,主要是指通过数字化处理获得的个性化修复材料。数字材料的特性使其工艺上具有特定的流程。因此,凡是具有此流程的材料都属于广义数字材料的范畴。而考虑到材料的实用性,为了更体现出材料的优越性,将一些特定的材料特指为数字材料,这是狭义数字材料的概念。   数字材料的制作流程相对固定,包括了如下几个步骤:数据获取,数据成像,手术模拟,材料设计,材料加工。五个步骤的核心是患者的数据,所有环节随时随地都体现了数字化处理的精髓。

  数字材料是一种新概念的修复材料,主要是指通过数字化处理获得的个性化修复材料。数字材料的特性使其工艺上具有特定的流程。因此,凡是具有此流程的材料都属于广义数字材料的范畴。而考虑到材料的实用性,为了更体现出材料的优越性,将一些特定的材料特指为数字材料,这是狭义数字材料的概念。


  数字材料的制作流程相对固定,包括了如下几个步骤:数据获取,数据成像,手术模拟,材料设计,材料加工。五个步骤的核心是患者的数据,所有环节随时随地都体现了数字化处理的精髓。经过此过程制作完成的材料,必然是最能满足手术需求的个性化订制材料。



(用于前胸壁修复的数字材料,肋骨结合部与胸骨结合部均有特殊设计)



(用于前胸壁修复的数字材料,专门设计了胸锁关节)



(用于前胸壁修复的数字材料,肋骨结合部采用特殊设计)


  目前与数字化处理相关的材料有两种,一种是所谓的3D打印材料,另一种则是真正的数字材料。两种材料名称不同,实际的制作流程有部分重叠,都包括了前期围绕数据展开的流程。因此,广义地说,都可以视为数字材料。但二者有本质的区别,那便是最终产品输出的过程。3D打印是靠打印机一次成型的,而后者则是通过机械加工制成的。由于工艺完全不同,使最终的成品有很大的差异。


  3D打印一次性成型,整个材料为一个均质的整体,其完整性无疑是理想的。这样的完整性用于大的骨性结构,比如骨科手术中的大型骨骼,将有明显优势。但是,当手术需要对不同结构同时做修复时,这种完整性恰好成了最大的缺陷。比如涉及环节的修复时,3D打印将很难打出理想的材料。为了消除这样的弊端,有人在材料的性质上下功夫,希望获得具有一定韧性或者活动度的材料。这种努力值得赞许,但材料的应用许可始终是限制其实际应用的最大问题。


  3D打印材料还有一个明显的缺陷,那便是可操作性或者实用性问题。真正打印出来的材料很难将材料的细节打印清楚。这样的材料如果用于骨科或者其他对细节要求不高的手术也许有一定的可操作性。但是,如果材料需要非常精细地安放于人体中,比如需要放在前胸壁时,操作部位的细节将成为3D打印材料的缺憾。为了满足手术需要,必须在成品的3D打印材料上再做相应的机械加工,这显然与3D打印的基本理念不符,反而成了数字材料工艺的内容了。


  数字材料前期的处理过程与3D打印材料完全相同,最重要的不同是产品制作终端的加工过程。3D打印材料是打印,而数字材料则完全是机械加工。机械加工的过程虽然稍显复杂,但实际的回报却令人欣慰,因为最终不但更满足了修复的需要,而且也方便了外科医生的操作。这样的便利体现在手术操作的各种细节上,而此细节却是3D打印很难达到的境界。


  不得不强调的是,直到目前为止,3D打印材料依然处于试验阶段,临床尚没有任何一种3D打印材料被允许合法地使用。在这样的背景下,当前已经商业化的数字材料,也就是最狭义的数字材料,则成了唯一合理的选择。



(采用数字材料完成的胸壁重建手术)



(采用数字材料完成的胸壁重建手术)



(采用数字材料完成的胸壁重建手术)


  概括起来,数字材料具有如下明确的优点:其一,可以根据手术的需要加工出结构上的功能部位,从而最大限度地满足手术需要。在胸壁外科手术中,数字材料经常被用于前胸壁结构的修复。当胸骨、肋软骨、肋骨、锁骨等多种结构遭受损坏需要整体修复时,除了考虑简单的缺损修复外,功能的修复是需要格外重视的内容。比如胸锁关节,如果不考虑其功能,则可能在术后给患者带来不适。为了使功能得到体现,在加工时需要设计出人工。关节,这是机械加工可以轻易完成的工作,而3D打印的工艺却很难完成。其二,可以对手术操作的局部做精细化设计与加工。修复材料加工完毕后,其最终的目的是置放于人体,而置放的核心操作是牢固固定。在胸壁外科手术中,这项工作主要是指材料与肋骨、锁骨、胸骨的牢固结合。临床上实际结合的方法有多种,而不管是哪种方法,结合的部位都需要一些特殊的设计,这些设计恰好是机械加工的强项。3D打印一次性成型,很难做成这种精细的工作。其三,临床的许可问题。数字材料是目前临床上唯一允许合法使用的材料,而3D打印材料要获得临床许可,尚需同志们努力奋斗与拼搏。


  最后谈一个前瞻性的问题,即材料最终的归宿问题。数字材料尚有一个优点,那便是可以非常方便地向制式材料进行转化,这种转化将使数字材料具有更好的实用性,更受临床医生的欢迎;而3D打印工艺固化,不打印便无产品,因此不可能向制式材料方向发展。这将成为3D打印们心中永远的痛。


  来源:胸廓畸形手术专家

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作者简介
王文林
单位:广东省第二人民医院
简介: 王文林,广东省第二人民医院心胸外科主任,主任医师。1985年考入第三军医大学,1990年获学
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