COVID-19 疫情下3D列印醫療器材的支援與應用

 

刊登日期:2022/1/24
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徐勤禎 / 工研院產科國際所
 
疫情凸顯了3D列印在醫療產業的生產優勢
自2019年起COVID-19冠狀病毒持續蔓延全球,導致各地確診病患激增、醫療量能吃緊,許多醫療器材嚴重短缺。但隨著各國陸續實施封城措施,傳統醫材製造廠面臨關閉或人力吃緊的狀況,加上貨物運輸受阻,對醫療器材供應無疑是雪上加霜。在此時期,3D列印產業利用其快速原型製作、在線共享設計與分散式生產的優勢,在全球各地為醫療部門提供多項醫材的列印製造,緩解醫療用品短缺的燃眉之急。
 
目前3D列印技術已廣泛應用於汽車、航太、電子、消費產品與醫療保健等領域,其中醫療產品為各大廠積極投入的項目,包含牙科、骨科、醫療用具到新興的組織器官列印,市場需求持續增加。2020年國際3D列印大廠營收雖大受影響,卻也搭上疫情題材,紛紛投入防疫產品的生產,展現3D列印技術在醫材製造的實力。以EnvisionTec和Formlabs兩家公司為例,疫情前即積極開發醫療保健相關的材料與服務,EnvisionTec利用光敏樹脂搭配數位光投影(Digital Light Processing; DLP)技術,可生產多樣性的牙科產品、助聽器、耳殼與醫學模型等,並投入器官與組織的生物3D列印。Formlabs則以其立體光固化(Stereolithography Apparatus; SLA)技術,將液態樹脂固化列印為牙科產品、手術器械與醫學模型等。疫情期間,兩家公司分別利用各自開發的牙科樹脂材料,設計與生產COVID-19檢測試劑中的鼻咽拭子,共同對抗病毒大流行。而透過各類防(抗)疫產品的設計製造,不論是大廠領頭或是新創發想,都向全球展現3D列印製造的無限可能與生產彈性,驅動產業持續發展。
 
3D列印醫療器材應用實例
在COVID-19疫情爆發、許多醫療器材供應短缺下,3D列印提供了相關器材與設備的快速製造解決方案,其應用包含個人防護裝備、篩檢診斷工具、呼吸治療裝置、隔離病房與藥物列印等方面,以下就各類應用實例進行介紹。
1. 個人防護用具(Personal Protective Equipment; PPE)
個人防護用具(PPE)可保護使用者免於受到空氣中或液體污染物與顆粒的危害,有助於限制病原菌感染的傳播,作為健康者與感染者間的保護屏障。PPE為第一線醫事人員面對與處理染疫病患最主要、最直接也是最迫切需求的醫療裝備,包含口罩、面罩、護目鏡、防護衣…等,因此在疫情爆發的初期皆呈現大量短缺、供不應求的情形。由於上述個人防護用具結構上相對簡單、精密度需求低,且在美國食品與藥物管理局(FDA)的風險分類上也相對較低,因此為COVID-19疫情期間透過3D列印技術生產最多的醫材類別,其中防護面罩與其配件為生產印製的最大宗品項。
(1). 防護面罩(Face Shields) 
防護面罩由頭戴式框架與塑膠片所組成,可保護使用者的臉部避免受到飛沫或傳染性顆粒直接噴濺污染,屬於FDA Class I低風險醫材。由於其幾何結構簡單,可利用熔融沉積成型技術(Fused Deposition Modeling; FDM)直接列印三維產品,也可藉由光固化立體成型技術(Stereolithography Apparatus; SLA)將樹脂材料固化製成中空結構的頭戴框架。捷克知名的FDM製造商Prusa 3D於2020年3月開始設計製造3D列印防護面罩,在兩個月內即列印生產了約20萬個防護面罩提供捷克的醫事人員使用(圖一A),並將其設計開源提供給外界下載,全球各地3D列印機的使用者得以直接印製更多的面罩因應當地需求,或是針對醫事人員的回饋進行快速修改。在材料的選用上,防護面罩需考量易於消毒、長時間配戴與耐用等特性,包含聚碳酸酯(Polycarbonate)、聚氯乙烯(Polyvinyl Chloride)和聚對苯二甲酸乙二酯(Polyethylene Terephthalate)等皆為合適的材料   
         圖一、3D列印防護面罩與N95口罩   圖一、3D列印防護面罩與N95口罩
 
(2). N95口罩與其配件
相較於外科醫用口罩,N95口罩過濾病毒與細菌效果更佳,對於大於0.3 μm顆粒,最低過濾效率可達95%,有效過濾帶有病毒的飛沫,FDA風險等級分類為Class II。利用3D列印可印製與臉部貼合的口罩部分和過濾器,與臉部的貼合度、舒適度、耐用性與過濾器的替換性為設計考量的關鍵。由於聚乳酸…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

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