原創 小希 我是科學家iScientist

新冠疫情在世界范圍爆發，各國醫療系統超負荷運轉。面對洶涌疫情，中世紀的人們也許只能束手就擒，但在當今社會，除了醫學進步，其他新技術的發展也為我們提供了很多對抗病魔的武器，比如，3D打印技術。

由于醫療物資需求激增，全球供應鏈承擔著巨大的壓力。一些3D打印技術公司加入了救火隊員的行列，從檢測用品到個人防護用品……3D打印技術派上了大用場。

鼻咽拭子不夠？打印！

美國馬薩諸塞州Formlabs公司主營業務是銷售3D打印機。2020年3月，他們突然接到了一筆大訂單：生產10萬支鼻咽拭子，每天。

鼻咽拭子是一種帶有鬃毛的柔性小棒，可以插入待檢驗人員的鼻子中采集分泌物樣本。這看似不起眼的小玩意兒，卻是進行Covid-19檢測的必需品[1]。

鼻咽拭子是進行Covid-19檢測的必需品 | Wikimedia Commons

為了提高鼻咽拭子供應量，美國食品藥品監督管理局（FDA）與多家研究機構進行協商，共同制定了一份指南，指導通過3D打印技術制造鼻咽拭子。于是，包括 Formlabs在內的多家3D打印公司，紛紛開足馬力制造鼻咽拭子，預期總產量很快提高到每周400萬個。

3D打印制造

鼻咽拭子只是抗疫戰線中的一個小環節。對抗新冠疫情，更重要的設備是呼吸機。呼吸機，顧名思義，用來幫助病人呼吸，也是治療新冠肺炎這類疾病的必需品。

呼吸機可以重復使用，但其中的連接管路、面罩閥門等關鍵零件多為需要替換的一次性產品，如果這些零件出現供應短缺，就會影響呼吸機的使用，進而影響患者的治療。

此時，3D打印技術憑借快速設計、個性化生產、無需模具等優勢，成為了醫療體系中的一根“救命稻草”。

3D打印的牙齒 | 圖蟲創意

在意大利，醫院普遍使用文丘里氧氣面罩，其中的關鍵零部件，就是文丘里閥（Venturi valve），通過調節閥門的粗細，可以改變面罩內氧氣的濃度。

文丘里面罩 | 參考資料[2]

但文丘里閥是消耗品，每8小時就需要更換，以防止病毒滋生和交叉感染。2020年3月13日，意大利北部倫巴第大區布雷西亞省基亞里的一家地方醫院，一度陷入了文丘里閥消耗殆盡的情況，多位患者的生命面臨威脅，于是醫院向外界發出求助。一家名為Isinnova的科技公司立刻伸出援手，直接將一臺3D打印機帶到了醫院，在短短數小時內就完成了模型設計并啟動了生產。

隨后24小時內，技術員們利用6臺3D打印機成功生產出100個文丘里閥，緩解了醫院的燃眉之急，也為挽救患者生命爭取了時間。

意大利技術創新部長肯定3D打印文丘里閥的積極作用 | twitter

個人防護物資，

3D打印也帶來了新的答案

除了檢測用品和治療儀器，面罩、護目鏡之類的防護物資對保護奮戰中的醫護人員也是必不可少。但是，這些防護用品的供不應求，一度也成為世界性的難題。

如何快速制造個人防護物資？3D打印再次提供了解決方案。

通過模型的優化設計，美國哥倫比亞大學的研究人員利用3D打印技術極大縮短了制造防護面具的時間，僅需原有時間的三分之二，就可以打造出滿足醫護需求的面罩[3]。

面罩的3D打印過程、面罩分裝和將面罩送到醫護人員手中 | 參考資料[3]

對抗新冠肺炎過程中，口罩消耗量巨大，一度告急，而且，現有的口罩設計也有一定的改進空間，比如通氣閥的過濾性能尚有欠缺。Mirai Productions公司的研究人員重新設計了3M口罩上的換氣塞，并利用3D打印技術將它們打印出來。這些新型換氣塞可以提高對氣霧液滴的防護能力，從而更好地防止病毒傳播[4]。

3M口罩上的換氣塞 | 圖蟲創意

重要的防護用品還包括護目鏡。北京大學第一醫院呼吸科主任王廣發曾復盤自己感染新冠肺炎的過程，分析原因極有可能是未佩戴護目鏡導致。國內的3D打印公司迅速參與到護目鏡生產中來，比如， 2020年2月，湖南云箭集團僅用一周時間，就實現從零研制到定型生產，生產的第一批500套護目鏡2月10號就馳援抗“疫”一線[5]；甘肅普瑞特科技有限公司在蘭州周邊醫院采集了100多例醫護人員面部數據，經過反復試驗和試穿戴，最終確定生產尼龍和樹脂兩種材質的護目鏡，2020年3月初，“不會產生水霧和勒痕”的護目鏡也已經送到了蘭州部分醫院醫護人員手中[6]。

除了佩戴舒適，更重要的是，3D打印過程可以在幾乎沒有人員參與的情況下進行，這樣生產的防護物資可以最大程度減少感染風險。

湖南云箭集團有限公司利用3D打印技術生產醫用護目鏡 | www.861china.com

能否直接打印一個“肺”？

即使有新技術加持，生命在疾病面前仍是脆弱的。新冠肺炎對病人肺部損傷巨大，有些患者需要移植肺移植手術，但并非所有患者都能幸運地等來適合的肺源。

首例新冠肺炎病例雙肺移植手術 | 澎湃新聞

現在，3D打印已經可以制造出耳朵、血管和骨頭……那么，有沒有可能，3D打印一個肺？

有可能的，雖然這要比打印醫療物資難太多。最主要的難題在于：肺部的氣道和血管互相交織，形成了復雜的三維拓撲結構。

2019年，來自美國萊斯大學等機構的研究者們合作開發了一種分形拓撲算法，為復雜纏繞的血管提供了一種有效的建模方法[7]。在這一建模方法的基礎上，研究人員用數字技術將建好的模型分割成數千個單獨的層，并使用柔軟的生物相容性凝膠作為原料，進行高精度的逐層打印，最終成功打印出了一個人工肺，可以將空氣泵入以模仿呼吸，當血液流過“肺”中網絡時，就可以為紅細胞提供氧氣。

錯綜纏繞的血管網絡 | 參考資料[7]

得益于3D打印的精確控制，這個僅有硬幣大小的人工肺，其內部最小的血管直徑只有0.3毫米——這項研究目前只是對3D打印肺部做出了初步的嘗試，與能夠實際應用還有很大差距。

比硬幣還小的3D打印肺部 | 參考資料[8]

好在，對技術的探索，科學家一直在繼續。

“危”與“機”往往相生相伴，在這次疫情期間，曾在大眾認知中被視為“新鮮黑科技”的3D打印技術，由于可定制、高度靈活等特點，為醫療領域提供了很大助力。前路漫漫，或許它可以做更多。

作者名片

作者：小希

編輯：圓的方塊

排版：雷穎

題圖來源：www.861china.com

參考資料：

[1]https://www.3dprintingmedia.network/3d-printed-airway-stents-fda-approved/

[2] Tokarczyk A. J., Greenberg S. B., Vender J. S. Oxygen Delivery Systems, Inhalation Therapy, and Respiratory Therapy. Benumof and Hagberg's Airway Management (Third Edition), 2013, 301-323.

[3]https://blogs.cul.columbia.edu/spotlights/2020/03/23/columbia-university-librarians-provide-guide-and-design-for-3d-printable-face-shields/

[4]https://www.3dprintingmedia.network/hong-kong-makers-fought-covid/

[5]https://static.jingjiribao.cn/static/jjrbrss/rsshtml/20200209/225898.html

[6]http://www.bjnews.com.cn/feature/2020/03/10/701915.html

[7]Grigoryan B., et al. Multivascular networks and functional intravascular topologies within biocompatible hydrogels. Science, 2019, 364, 458-464 DOI: 10.1126/science.aav9750

[8]Queeny Dasgupta1 and Lauren D. Black III (2019) A FRESH SLATE for 3D bioprinting. Science. DOI: 10.1126/science.aay0478

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原標題：《護目鏡不夠？打印一個——3D打印如何幫助抗擊疫情？》

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