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〔摘　要〕新型冠狀病毒肺炎（COVID-19）是由2019新型冠狀病毒 （2019-nCoV）引發(fā)的呼吸道傳染病，一旦患病，將會影響人體重要器官的功能，導(dǎo)致嚴(yán)重的并發(fā)癥?針對該病，目前尚無有效的治療藥物，因此，做好對疾病的防控工作非常重要?3D打印技術(shù)為對抗2019- nCoV帶來了新的希望，其在個人防護?診斷工具研究等多領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用潛力?該研究綜述了3D打印技術(shù)在COVID-19防控領(lǐng)域的研究進展，并分析了3D打印技術(shù)的優(yōu)缺點?

 

〔關(guān)鍵詞〕新型冠狀病毒；醫(yī)用防護用品；標(biāo)準(zhǔn)；檢測方法

 

〔中圖分類號〕R318

 

〔文獻標(biāo)識碼〕A

 

〔文章編號〕1002-2376（2022）10-0183-05

 

2019新型冠狀病毒（2019 novel coronavirus，2019-nCoV）是此前從未在人體中發(fā)現(xiàn)的冠狀病毒新毒株，在人體存在一定的潛伏期?由2019-nCoV引發(fā)的新型冠狀病毒肺炎（coronavirus disease 2019，COVID-19）疫情自發(fā)生以來在全球迅速蔓延，嚴(yán)重威脅著人們的生命安全[1]，而具有一定傳染性的無癥狀感染者和“德爾塔”“奧密克戎”等新型變異株的出現(xiàn)使疫情形勢更加嚴(yán)峻?目前，臨床尚無治療COVID-19的確切方法，因此，做好對疫情的防控工作十分重要，而如何利用新技術(shù)?新方法對疫情進行有效的防控成了當(dāng)下的熱點研究方向? 

 

自3D打印技術(shù)問世以來，其因具有價格相對低廉?易于快速轉(zhuǎn)化實物等優(yōu)點，正逐漸發(fā)展成為一種先進的生物制造技術(shù)[2]，在建筑?航空航天工程和機器人工程等眾多領(lǐng)域受到極大的關(guān)注，尤其是在醫(yī)學(xué)和健康科學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[3-5]，且其對COVID-19的防控也表現(xiàn)出了一定的應(yīng)用潛力?本文即就3D打印技術(shù)在COVID-19防控領(lǐng)域的研究進展作一綜述，并分析3D打印技術(shù)的優(yōu)缺點?

 

1、個人防護領(lǐng)域

 

2019-nCoV可以通過呼吸道飛沫傳播，咳嗽和打噴嚏均可傳播病毒?此外，病毒可以在物體表面存活一段時間，健康人與受感染物體或患者發(fā)生身體接觸均存在感染風(fēng)險?口罩和其他個人防護裝備（personal protective equipment，PPE）為防止病毒傳播的屏障[6]，而在COVID-19大流行期間，應(yīng)用3D打印技術(shù)可成功制備出口罩和其他PPE?

 

1.1  防護口罩

Ishack和Lipner[7]以聚乳酸（polylactic acid，PLA）為原料采用 3D打印熔融沉積建模（fusedd eposition modelling，F(xiàn)DM）技術(shù)成功制備出防護口罩（圖 1）?該PLA防護口罩的結(jié)構(gòu)緊湊，對微生物（包括病毒）大小的顆粒具有足夠的屏障保護作用?研究發(fā)現(xiàn)，96%乙醇?70%異丙醇和0.85%次氯酸鈉消毒劑均能夠徹底清除葡萄球菌?大腸桿菌?白色念珠菌和 2019-nCoV對該口罩表面的污染；且采用激光掃描技術(shù)掃描可以獲得精確掃描的面部參數(shù)?與普通防護口罩相比，通過3D打印技術(shù)制備的口罩具有更高的舒適度和貼合度?

 

注：A為聚乳酸原料；B為直徑為10cm的圓板；C~E為不同類型的聚乳酸口罩

圖1 以聚乳酸為原料采用3D打印熔融沉積建模技術(shù)制成的口罩

 

Goswami等[6]采用3D打印FDM工藝開發(fā)了一種帶有石墨烯 （fluorinated graphene，fG）空氣過濾器的口罩（圖 2）?fG具有較高的比表面積與體積比，以增強口罩抗病毒和抗菌性能?研究發(fā)現(xiàn)，該3D打印口罩可達到98.2%的細(xì)菌過濾效率和1.10mbar的呼吸阻力；且通過測試該防護口罩對2019-nCoV顆粒的防護有效性，發(fā)現(xiàn)該口罩可以有效阻止病毒傳播?

 

注：A為3D打印口罩的各個部件；B為帶有石墨烯空氣過濾器的3D打印口罩

圖2 采用3D打印熔融沉積建模技術(shù)制成的帶有石墨烯空氣過濾器的口罩實物

 

1.2  防護面罩

當(dāng)面罩與口罩和護目鏡共同使用時，面罩可立即將絕大多數(shù)可能具有傳染性的飛沫保持在合理的物理距離，而口罩和護目鏡則可進一步加強局部保護作用?但是，當(dāng)同時佩戴傳統(tǒng)的面罩和護目鏡，特別是長時間佩戴時，既不方便又不舒適，而采用3D打印技術(shù)制備的面罩可在滿足COVID-19防護需求[7]的同時，為醫(yī)護人員提供更舒適的使用體驗?

Armijo等[8]（圖3）和Lemarteleur等[9]（圖4）以易于獲得且價格低廉的PLA作為原料，采用3D打印技術(shù)分別成功制備了防護面罩?該類面罩結(jié)構(gòu)類似，頭部固定部分均由兩個拱門和固定帶組成，可起到有效防護的作用；且其更加透明?輕便，可提供較高的光學(xué)清晰度和舒適度?

 

注：A為覆蓋范圍（可以延伸到下巴以下）；B為面罩成品

圖3 以聚乳酸為原料采用3D打印技術(shù)制成的面罩

 

圖 4 由兩個拱門組成的3D打印聚乳酸面罩

 

Celik等[10]基于有限元分析的結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過FDM的3D打印方式成功實現(xiàn)了一種重量更輕?更符合人體工程學(xué)且易于使用的醫(yī)用面罩設(shè)計（圖 5）?與傳統(tǒng)面罩相比，該產(chǎn)品無需額外的組件（如松緊帶和夾子）即可組裝，且生產(chǎn)時間相對較短（≤45min）?

 

圖 5 基于有限元分析結(jié)構(gòu)設(shè)計的3D打印面罩

 

Huang等[11]利用光敏樹脂?聚氯乙烯和熱塑性聚氨酯彈性體設(shè)計了一種針對眼睛和面部的組合保護面罩，其可以由3D打印技術(shù)快速制備?該面罩由護目鏡?鏡片?面罩和松緊帶4部分組成（圖 6），可以很容易地進行組裝和拆卸，同時可對傳染液滴保持良好的防漏效果，為防護COVID-19等突發(fā)傳染病提供了更多的可能性?

 

注：A和B分別為眼睛-面罩組合效果圖和實物圖

圖6 利用光敏樹脂?聚氯乙烯和熱塑性聚氨酯彈性體設(shè)計的3D打印面罩

 

2、 診斷工具研究領(lǐng)域

 

目前，2019-nCoV的核酸檢測多是通過鼻咽拭子（nasopharyngeal swab，NP）與試管內(nèi)的病毒運輸介質(zhì)結(jié)合來實現(xiàn)的，因此，對樣本的有效采集成了準(zhǔn)確檢測的有力保證?普通的NP的使用體驗不佳，甚至?xí)斐筛蓢I?惡心等情況，影響樣本采集，因此，設(shè)計一種高效且引起的不良情況少的NP非常重要?

Ford等[12]設(shè)計了一種3D打印NP（圖 7），并經(jīng)在異丙醇中清洗以及進行蒸汽滅菌，最后通過臨床驗證，發(fā)現(xiàn)其能夠有效保證病毒載量，且可以維持3d以上，完全滿足采樣需求?與普通的NP相比，使用該產(chǎn)品時患者更加舒適?

 

圖 7 4批等待后處理的3D打印鼻咽拭子

 

Gallup等[13]采用3D打印光固化技術(shù)制備了一種NP（圖 8A），且為了加快打印速度并減少原料使用，將該產(chǎn)品與貼合手柄聯(lián)合使用（圖 8B），滿足2019-nCoV樣本采集的性能要求，且其能夠承受比正常臨床使用中預(yù)期更大的力，為COVID-19核酸檢測試劑盒使用的標(biāo)準(zhǔn)NP提供了一種經(jīng)濟?快速的替代方案?

 

注：A為戴手套組裝鼻咽拭子；B為鼻咽拭子與貼合手柄配合使用

圖 8 采用3D打印光固化技術(shù)制備的鼻咽拭子

 

3、呼吸機及分離器設(shè)計領(lǐng)域

 

3.1  呼吸機

COVID-19會引起肺部組織纖維化而無法輸送足量氧氣，進而導(dǎo)致呼吸困難，需要呼吸機來輔助患者呼吸[14-15]?Dhanani等[16]開發(fā)了一種新型低成本的3D打印便攜式機械呼吸機（圖 9），可用于呼吸衰竭患者?通過人體外試驗和豬體內(nèi)試驗，發(fā)現(xiàn)該呼吸機的機械效率與標(biāo)準(zhǔn)呼吸機相當(dāng)?此外，其還改進了齒輪設(shè)計，為快速?大批量?經(jīng)濟地生產(chǎn)呼吸機等醫(yī)療設(shè)備提供了可行的替代方案?

 

圖 9 3D打印便攜式機械呼吸機

 

3.2  分流器

為了防止飛沫傳播，需要患者之間保持足夠的距離，這會造成呼吸機呼吸回路延長，無效腔通氣增加，而為了確保有效的通氣，患者的吸入必須同步且體質(zhì)量相近，但在實際操作中無法實現(xiàn)?

Ayy?ld?z等[14]利用計算機程序設(shè)計了雙端口（圖 10）和四端口分流器（圖 11），并由3D打印機制造?研究表明，采用3D打印技術(shù)設(shè)計的雙端口分流器和四端口分流器，通過對單臺呼吸機進行改造，可以實現(xiàn)同時為2例或2例以上的患者提供穩(wěn)定氣源，在醫(yī)護人員的幫助下，患者可以間歇使用分流器，具有實際的應(yīng)用價值?

 

注：A為設(shè)計尺寸；B為外觀；C為制造的成品

圖10 3D打印雙端口分流器

 

注：A為設(shè)計尺寸；B為外觀；C為制造的成品

圖11 3D打印四端口分流器

 

4、輔助工具研究領(lǐng)域

 

4.1  器官模型

目前，利用3D打印技術(shù)已經(jīng)成功制備了器官模型[15]?例如，利用3D打印技術(shù)制備的耳鼻喉模型，可模擬正常和病理的聲帶，被用于內(nèi)鏡手術(shù)的培訓(xùn)中[16]，有助于對COVID-19取樣人員進行培訓(xùn)?Chee等[17]利用3D打印技術(shù)成功制備了鼻模型（圖 12），該模型具有解剖學(xué)變異，能夠再現(xiàn)普通人群的真實鼻腔結(jié)構(gòu)，且其使用的彈性材料能夠再現(xiàn)真實鼻子的質(zhì)感?通過使用3D打印鼻模型，可幫助拭子熟悉鼻咽解剖，從而有助于進行真實?有效和安全的鼻拭子訓(xùn)練，且有助于確保拭子結(jié)果盡可能準(zhǔn)確?

 

注：A和B分別為外部視圖和內(nèi)鏡（內(nèi)部）視圖

圖12 3D打印鼻模型

 

4.2  氣管內(nèi)管夾

由氣管內(nèi)管引起的氣溶膠排放會增加醫(yī)護人員接觸病毒的風(fēng)險，因此，建議在未連接過濾通氣回路時鉗住氣管內(nèi)管，以減少氣溶膠顆粒的擴散?Jacob等[18]設(shè)計了一種3D打印氣管內(nèi)管夾，可實現(xiàn)在插管和拔管過程中進行收緊和打開（圖 13），為保護醫(yī)護人員的健康提供保障。

 

 

注：A為實物圖；B為根據(jù)需要松開；C為根據(jù)需要夾緊

圖13 3D打印氣管內(nèi)管夾

 

4.3  開門器和門鉤

電梯按鈕?電話?電腦鼠標(biāo)和鍵盤等已受2019-nCoV污染的設(shè)備亦會引起 COVID-19的傳播?研究發(fā)現(xiàn)，2019-nCoV在不銹鋼表面可以存活72h[19]?為了避免接觸受2019-nCoV污染的設(shè)備表面，F(xiàn)rançois等[20]選用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，利用3D打印FDM技術(shù)制備了免提開門器和門鉤，將免提開門器固定在門把手上，用前臂或肘部即可開門（圖 14）；考慮到一些門把手的幾何形狀不允許安裝免提開門器，還開發(fā)了一種由易于伸縮的護套保護的門鉤（圖 15）?此類設(shè)備易于安裝?清潔和消毒，可有效降低開門時病毒傳播的風(fēng)險?

 

圖 14 使用扎帶在兩種門把手上安裝的免提開門器

 

圖 15 處于關(guān)閉（左）和打開（右）狀態(tài)的門鉤

 

5、總結(jié)及展望

 

COVID-19疫情的出現(xiàn)挑戰(zhàn)了現(xiàn)有技術(shù)的極限，同時加速了各個領(lǐng)域的創(chuàng)新?3D打印技術(shù)因具有個性化設(shè)計和制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)的能力和快速成型等優(yōu)點，在個人防護?診斷及輔助工具研究等多領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值，如利用3D打印技術(shù)制備的防護用品，在保護醫(yī)護人員不受病毒侵害的同時極大地提高了佩戴的舒適度；利用3D打印技術(shù)制備的鼻模型，有助于確保拭子采樣盡可能的高效準(zhǔn)確?

 

需要注意的是，3D打印技術(shù)的應(yīng)用也存在一定的不足，如3D打印可用的材料有限且機械性能亟待改進，在一定程度上限制了3D打印技術(shù)的應(yīng)用；與傳統(tǒng)的方法相比，利用3D打印技術(shù)制備的重復(fù)性產(chǎn)品大規(guī)模生產(chǎn)的相對時間較長；該技術(shù)目前仍缺乏一定的臨床試驗支撐；此外，缺少明確的關(guān)于3D打印產(chǎn)品制造工藝和質(zhì)量檢測等方面的規(guī)范，為保證3D打印產(chǎn)品的可靠性和安全性，與之相應(yīng)的質(zhì)量評價機制和評審手段亟待建立?我們相信，隨著新材料的開發(fā)和新技術(shù)的交叉合作，3D打印技術(shù)必將成為抗擊COVID-19的有力武器?

 

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