3D打印新突破 定制鏡片配角膜

  根據(jù)個體角膜形狀“量身定制”，呈現(xiàn)不規(guī)則鏡面形狀;3D打印已應(yīng)用于多個醫(yī)療領(lǐng)域角膜“變形”患者未來可能戴上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利用3D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)每個人的角膜形狀，做到精準折射光線、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NASA自適應(yīng)光學系統(tǒng)。星星會“眨眼”是常見的光學現(xiàn)象。由于大氣湍流不斷變化，星星發(fā)出的光芒在穿過大氣層時受到影響會時隱時現(xiàn)，影響天文觀測。為抹平“噪點”，NASA將自適應(yīng)光學系統(tǒng)用于天文望遠鏡——由可自由活動的多個小鏡片組成一塊大的變形鏡，變形鏡接收到系統(tǒng)發(fā)送的像差信號后會自行調(diào)整鏡面、矯正像差，讓星星不“眨眼”。

  3D打印眼鏡，相當于一個縮小的“變形鏡”。其設(shè)計圖來源于每名患者各自的角膜形狀，打印機根據(jù)“地圖”，通過噴射液體的方式，一層層地將完全吻合個體角膜形狀的鏡片打印出來。目前，宋紅欣博士已初步實現(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，疾病一般開始于青春期，發(fā)病原因目前仍不明確。這一疾病帶來的嚴重高階像差，會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。

  “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，外界的光線穿過角膜，在人類的視網(wǎng)膜上成像，形成準確的畫面信號。普通的近視人群因晶狀體變形，光線聚集在視網(wǎng)膜前，需要通過眼鏡進行調(diào)整，將成像點后移，保持視力清晰。而一旦出現(xiàn)嚴重高階像差，意味著光線在通過坑洼的角膜時，從各個不同角度被折射、在晶狀體中形成了混亂光軌，哪怕架上一副鏡片，也無法改變其在眼球內(nèi)的失序。這也是為什么普通眼鏡無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，鏡片就可以與角膜“同調(diào)”，通過調(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，但在個性化需求面前市場化變得不現(xiàn)實。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模型、單獨流水線制作，產(chǎn)品將是天價。3D打印的優(yōu)勢，正在無需額外成本就能實現(xiàn)精細制作。

  3D打印已涉足多個醫(yī)療領(lǐng)域

  3D打印的優(yōu)勢在醫(yī)學領(lǐng)域被認為有廣泛前景。早在9年前，我國就有醫(yī)療機構(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學術(shù)交流中見到了3D打印設(shè)備，意識到這種打印材料或能解決人工關(guān)節(jié)一直以來存在的問題。

  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，人的骨頭就能長入孔隙中，讓植入物更牢固。但傳統(tǒng)人工關(guān)節(jié)通過模具鑄造生產(chǎn)，很難在金屬表面再實現(xiàn)一層精確的微小孔隙涂層。相比之下，3D打印是電腦建模，通過粉末冶金方式制造，能更靈活地設(shè)計生產(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)出的我國首個3D打印人體植入物獲CFDA注冊批準，讓3D打印髖關(guān)節(jié)進入“量產(chǎn)”時代。次年，3D打印椎體假體、椎間融合器獲得CFDA注冊批準，使我國在3D打印骨外科領(lǐng)域處于國際領(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，北京大學口腔醫(yī)院牽頭的重點項目3D打印種植牙完成動物實驗，進入臨床試驗階段。該技術(shù)一旦廣泛應(yīng)用，將省去用骨材料填補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。

  在國外，研究人員開發(fā)出了可以隨著兒童的成長而自我調(diào)節(jié)的3D打印心臟支架，避免了在成長過程中需要二次手術(shù)更換植入物的需要。對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。從堅硬的骨骼到柔軟復雜的人體內(nèi)臟，人們希望3D打印能帶來更多治療突破，然而，現(xiàn)有的3D打印心臟售價昂貴，只能跳動半個小時，3D打印韌帶、肌腱、軟骨組織等仍停留在形似階段，功能性還無法實現(xiàn)。

  在光學領(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材料。”宋紅欣介紹，他們已經(jīng)初步實現(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)驗不足，材料上的難點仍待突破，他們現(xiàn)在使用的光敏材料在固化中會發(fā)生形變，影響折射效果。

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

  記者了解到，近年來，科技成果轉(zhuǎn)化日益受到重視。2016年4月，國務(wù)院發(fā)布《關(guān)于印發(fā)促進科技成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化行動方案》;同年9月，原國家衛(wèi)生計生委公布《關(guān)于加強衛(wèi)生與健康科技成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化工作的指導意見》，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，對推進“健康中國”建設(shè)具有重要意義。

  宋紅欣希望，將來我國也能建立相關(guān)成果轉(zhuǎn)化機制，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)化風險。

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