3D打印新突破 定制鏡片配角膜

  根據(jù)個(gè)體角膜形狀“量身定制”，呈現(xiàn)不規(guī)則鏡面形狀;3D打印已應(yīng)用于多個(gè)醫(yī)療領(lǐng)域角膜“變形”患者未來(lái)可能戴上3D打印的定制眼鏡。記者近日從北京同仁醫(yī)院了解到，該院視光中心副主任宋紅欣博士正嘗試?yán)?D打印技術(shù)制作“自由曲面”的定制鏡片。

  普通鏡片表面是圓滑的凸起，“自由曲面”意味著突破這種規(guī)則光滑面，呈現(xiàn)出不規(guī)則的鏡面形狀，根據(jù)每個(gè)人的角膜形狀，做到精準(zhǔn)折射光線、矯正視力。3D打印鏡片能精確吻合角膜形狀，起到“量身定制”的效果。

  這一靈感源自美國(guó)NASA自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)。星星會(huì)“眨眼”是常見(jiàn)的光學(xué)現(xiàn)象。由于大氣湍流不斷變化，星星發(fā)出的光芒在穿過(guò)大氣層時(shí)受到影響會(huì)時(shí)隱時(shí)現(xiàn)，影響天文觀測(cè)。為抹平“噪點(diǎn)”，NASA將自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)用于天文望遠(yuǎn)鏡——由可自由活動(dòng)的多個(gè)小鏡片組成一塊大的變形鏡，變形鏡接收到系統(tǒng)發(fā)送的像差信號(hào)后會(huì)自行調(diào)整鏡面、矯正像差，讓星星不“眨眼”。

  3D打印眼鏡，相當(dāng)于一個(gè)縮小的“變形鏡”。其設(shè)計(jì)圖來(lái)源于每名患者各自的角膜形狀，打印機(jī)根據(jù)“地圖”，通過(guò)噴射液體的方式，一層層地將完全吻合個(gè)體角膜形狀的鏡片打印出來(lái)。目前，宋紅欣博士已初步實(shí)現(xiàn)自由曲面鏡片的高精度制造。

  傳統(tǒng)鏡片難拯救不規(guī)則角膜

  這一特殊眼鏡，意在解決特殊人群的視力障礙——圓錐角膜是一種以高度不規(guī)則近視散光和不同視力損害為特點(diǎn)的原發(fā)性角膜變性疾病，該病在人群中的發(fā)病率為1:2000，疾病一般開(kāi)始于青春期，發(fā)病原因目前仍不明確。這一疾病帶來(lái)的嚴(yán)重高階像差，會(huì)讓普通眼鏡失去效果，角膜外傷、角膜炎、角膜移植等患者均可能發(fā)展出高階像差，這一群體人數(shù)近百萬(wàn)。

  “普通的角膜表面光滑凸起，而他們的角膜坑坑洼洼，出現(xiàn)了很多不規(guī)則的凹陷。”在同仁醫(yī)院，宋紅欣在紙上畫出了嚴(yán)重高階像差的角膜形狀——一段弧形曲線，中央部分呈現(xiàn)出了波浪狀的線條，像是原本光滑的溫泉蛋一側(cè)被挖出了光滑的小鋸齒。

  視力正常的情況下，外界的光線穿過(guò)角膜，在人類的視網(wǎng)膜上成像，形成準(zhǔn)確的畫面信號(hào)。普通的近視人群因晶狀體變形，光線聚集在視網(wǎng)膜前，需要通過(guò)眼鏡進(jìn)行調(diào)整，將成像點(diǎn)后移，保持視力清晰。而一旦出現(xiàn)嚴(yán)重高階像差，意味著光線在通過(guò)坑洼的角膜時(shí)，從各個(gè)不同角度被折射、在晶狀體中形成了混亂光軌，哪怕架上一副鏡片，也無(wú)法改變其在眼球內(nèi)的失序。這也是為什么普通眼鏡無(wú)法拯救其視力的原因。

  如果3D打印的自由曲面眼鏡成為現(xiàn)實(shí)，鏡片就可以與角膜“同調(diào)”，通過(guò)調(diào)整不同的光線折射方向，讓其在眼內(nèi)有序成像。

  宋紅欣表示，傳統(tǒng)制鏡工藝未必不能做到這一點(diǎn)，但在個(gè)性化需求面前市場(chǎng)化變得不現(xiàn)實(shí)。每位患者角膜形狀不同，鏡片的曲面也不同，意味著每一片鏡片都要單獨(dú)模型、單獨(dú)流水線制作，產(chǎn)品將是天價(jià)。3D打印的優(yōu)勢(shì)，正在無(wú)需額外成本就能實(shí)現(xiàn)精細(xì)制作。

  3D打印已涉足多個(gè)醫(yī)療領(lǐng)域

  3D打印的優(yōu)勢(shì)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域被認(rèn)為有廣泛前景。早在9年前，我國(guó)就有醫(yī)療機(jī)構(gòu)嘗試涉足這一領(lǐng)域。

  2009年10月，北醫(yī)三院骨科的兩位專家在出國(guó)學(xué)術(shù)交流中見(jiàn)到了3D打印設(shè)備，意識(shí)到這種打印材料或能解決人工關(guān)節(jié)一直以來(lái)存在的問(wèn)題。

  其中一位骨科專家蔡宏解釋，人體骨骼結(jié)構(gòu)天然存在很多孔隙，如果金屬表面能仿照其擁有微小且完全連通的孔隙，人的骨頭就能長(zhǎng)入孔隙中，讓植入物更牢固。但傳統(tǒng)人工關(guān)節(jié)通過(guò)模具鑄造生產(chǎn)，很難在金屬表面再實(shí)現(xiàn)一層精確的微小孔隙涂層。相比之下，3D打印是電腦建模，通過(guò)粉末冶金方式制造，能更靈活地設(shè)計(jì)生產(chǎn)帶精密孔隙結(jié)構(gòu)的人工關(guān)節(jié)。

  那年起，北醫(yī)三院著手進(jìn)行脊柱外科的3D打印植入物研究。2015年7月，該院研發(fā)出的我國(guó)首個(gè)3D打印人體植入物獲CFDA注冊(cè)批準(zhǔn)，讓3D打印髖關(guān)節(jié)進(jìn)入“量產(chǎn)”時(shí)代。次年，3D打印椎體假體、椎間融合器獲得CFDA注冊(cè)批準(zhǔn)，使我國(guó)在3D打印骨外科領(lǐng)域處于國(guó)際領(lǐng)先地位。

  這只是3D打印在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用案例之一。

  去年9月，北京大學(xué)口腔醫(yī)院牽頭的重點(diǎn)項(xiàng)目3D打印種植牙完成動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段。該技術(shù)一旦廣泛應(yīng)用，將省去用骨材料填補(bǔ)骨與植入體之間的空隙這一步驟，降低手術(shù)難度，讓更多患者能夠受益。

  在國(guó)外，研究人員開(kāi)發(fā)出了可以隨著兒童的成長(zhǎng)而自我調(diào)節(jié)的3D打印心臟支架，避免了在成長(zhǎng)過(guò)程中需要二次手術(shù)更換植入物的需要。對(duì)人造心臟等人體器官的3D打印研究，也一直備受關(guān)注。

  技術(shù)難題和成果轉(zhuǎn)化問(wèn)題待解

  前景光明，道路坎坷。3D打印在臨床上的落地仍面臨不少技術(shù)難題。從堅(jiān)硬的骨骼到柔軟復(fù)雜的人體內(nèi)臟，人們希望3D打印能帶來(lái)更多治療突破，然而，現(xiàn)有的3D打印心臟售價(jià)昂貴，只能跳動(dòng)半個(gè)小時(shí)，3D打印韌帶、肌腱、軟骨組織等仍停留在形似階段，功能性還無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

  在光學(xué)領(lǐng)域，3D打印面臨的是一片處女地。

  “3D打印的核心之一在于材料，我們現(xiàn)在仍在尋找合適的光學(xué)材料。”宋紅欣介紹，他們已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)了自由曲面鏡片的高精度制造，加工成本較傳統(tǒng)方法降低10倍以上。但由于經(jīng)驗(yàn)不足，材料上的難點(diǎn)仍待突破，他們現(xiàn)在使用的光敏材料在固化中會(huì)發(fā)生形變，影響折射效果。

  此外，他期待在成果轉(zhuǎn)化過(guò)程中，能獲得更多法律、市場(chǎng)等專業(yè)領(lǐng)域的支持。

  記者了解到，近年來(lái)，科技成果轉(zhuǎn)化日益受到重視。2016年4月，國(guó)務(wù)院發(fā)布《關(guān)于印發(fā)促進(jìn)科技成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化行動(dòng)方案》;同年9月，原國(guó)家衛(wèi)生計(jì)生委公布《關(guān)于加強(qiáng)衛(wèi)生與健康科技成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化工作的指導(dǎo)意見(jiàn)》，提出科技成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化是衛(wèi)生與健康科技創(chuàng)新的重要內(nèi)容，對(duì)推進(jìn)“健康中國(guó)”建設(shè)具有重要意義。

  宋紅欣希望，將來(lái)我國(guó)也能建立相關(guān)成果轉(zhuǎn)化機(jī)制，讓金融、法律等專業(yè)人士加入，以提高醫(yī)療創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化效率，降低產(chǎn)業(yè)化風(fēng)險(xiǎn)。

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