3D打印假肢：医学的下一次革命

随着3D打印不断改变制造业，医生们希望它能够帮助全球3,000万人需要假肢和大括号

翁Nhial却只不过是十几岁的时候，他被一个苏丹游击队抓住并被迫成为儿童兵。他花了四年的时间战斗，用几乎难以控制的枪炮爆炸，直到有一天发生不可避免的事情：他在上午巡逻时严重受伤，踏上地雷。

“我踩了它，它爆炸了，”他回忆说。“它又把我扔了上去 - 然后我试图寻找我的腿，发现没有脚。”

他的同志把他带回大本营，但几乎没有任何医疗护理。他花了25天才得到适当的治疗，在此期间他在身体的一侧形成了破伤风。最后，Nhial（不是他的真实姓名）被送往肯尼亚边境的航班，他的生命在他被交给红十字队时才得以挽救。

现在，十年后，他住在朱巴难民营，在饱受困扰的南苏丹新国家冲突中遭受更多麻烦。他为自己的国家打轮椅篮球，虽然他依靠假肢小腿在泥泞的广阔的阵营周围挣扎。实现最基本的服务通常需要漫长的漫步，并且很难接受培训。但至少他的手可以随意携带诸如食物和水之类的东西，而不像拐杖上的东西。

受冲突或疾病破坏的这类生活故事在发展中国家都很常见。缺乏胳膊或腿可能在任何地方都很艰难，但对于世界上较贫困地区的人来说，这尤其具有挑战性。有些人是冲突的受害者，而另一些人可能是天生就有先天条件的。道路上还有更多人受伤，贫穷国家的伤亡人数飙升。在肯尼亚，外科病房的一半患者有道路伤害。据世界卫生组织估计，约有三千万人需要假肢，支架或其他机动装置，但只有不到20％的人拥有假肢。

假肢可能需要大量的工作和专业知识才能生产和适应，世界卫生组织表示，目前在较贫穷国家缺乏40,000名训练有素的假肢医师。对于可能需要长途跋涉治疗需要五天的患者来说，还需要花费时间和经济成本来评估他们的需求，制造假肢并将其安装到残肢上。其结果是支架和假肢是最迫切需要的医疗设备之一。然而，技术可能会以3D打印的形式出现。

慢慢地但确定地说，3D打印也被称为增材制造，自本世纪初以来一直在对医药领域进行革命性的改变，正如它对许多其他行业（从汽车到服装）产生了影响一样。也许这并不奇怪，因为它的关键好处是能够快速且经济高效地制作定制产品。很少有商业产品需要适合比为人类制造的医疗设备更多种类的形状和尺寸。

专家们为烧伤患者开发了3D打印皮肤，婴儿气道夹板，癌症患者面部重建部件，退休人员骨科植入物。这项快速发展的技术已经生产出超过60m的定制助听器外壳和耳模，而它每天通过数字扫描牙齿产生数千个牙冠和牙桥，取代了几个世纪以来使用的传统蜡模建模方法。

下颌手术和膝关节置换术也常规使用机器上印刷的手术导板进行。所以，这项技术已经开始引起人们对假肢领域的兴趣，即使有时会出现意外也就不足为奇了。伊万欧文是一位美国艺术家，他喜欢制作“古怪的，书呆子的小玩意”，用于制作木偶剧和预算恐怖电影。2011年，他为蒸汽朋克大会创建了一个简单的金属机械手，尖刺手指由自己的循环操作。

他发布了一段南非木匠在圆锯事故中失去四根手指的视频。他们开始讨论一个原型假手的计划，并引起了一名名叫利亚姆的五岁男孩的母亲的注意，他的右手出生时没有手指。

她想要一个微小的版本，但欧文意识到这个孩子会很快从他们制作的任何东西中成长出来，所以他考虑了使用3D打印的想法。“如果我们能够开发出可打印的设计，那么随着利亚姆的发展，可以重新设计和重新打印设计，实质上可以让他的设备与他一起成长，”他说。

于是艺术家说服了一家打印机制造商捐赠两台机器，并开发了自称是第一台3D打印机械手的产品。至关重要的是，Owen并没有将这项工作专利，而是将这些文件公开为任何人访问的开放资源，允许其他人协作，使用和改进设计。

这已经发展成为Enabling the Future，一个在几十个国家拥有7,000名成员的网络，可以接触2,000名打印机，帮助需要的人制造武器和手。一位加利福尼亚州的学校学生甚至为当地的老师打印了一只新手。

通常它们都是针对儿童的，因为许多人不喜欢现代修复体的重量，外观和麻烦，这可能涉及将手臂插入硅胶套中，并使用背带将器械固定到位。

这些身体动力手需要花费数千英镑，但随着孩子的成长，每两年必须更换一次。3D打印版本价格约为40英镑，有各种颜色，看起来像一个令人愉快的玩具，尽管不太成熟，但通常更具吸引力。

奥马哈内布拉斯加大学生物力学研究部门的研究科学家Jorge Zuniga在他的车载收音机上听说了这个项目。他只是半听，但回到家后，他开始和他四岁的儿子玩棒球，并观察到抓住一个物体对他孩子的发展有多重要。

他在下个月花了一个小时修建了一个模仿人类手的假肢模型，只是因为他的工作被儿子立即解雇。“他告诉我，孩子们想要一只看起来像机器人的手。”

通过这次对话和开源设计，出现了Cyborg Beast，这是一个由Zuniga的部门大力支持的项目，旨在开发未来感十足的低成本假肢手。“你可以用3D打印做任何事情，”Zuniga说，他现在领导着一支七人强队。“我们相信它会使假肢领域发生革命性的变化。它将降低全球成本，并为工程师，病人和医生提供修改假手的机会。它们可以是任何颜色。“

当我稍微犹豫地告诉Zuniga，他的设计看起来像一个玩具，他很高兴。“这太好了 - 我们希望孩子们把它看作玩具，”他说。“这是一个过渡设备。许多孩子不喜欢假肢，但他们今天的表现很好，因为他们可能有一个手的钩子，他们需要帮助，把harness具放在哪个孩子不喜欢的地方。所以这是为了缩小差距，帮助他们在成长过程中适应这个想法。“

“我们甚至有一个孩子错过了一个肩膀。所以我们开发了一种重量与缺失手臂相同的设备。这意味着他不仅得到了一个帮助日常生活的新手臂，而且还改善了他的姿势和平衡，因此他的脊柱更好。使用3D技术可以使这种事情变得容易得多。“

非常值得关注的是，甚至没有打印机的人都可以在24小时内以戏院票的价格获得功能强大的孩子的手。Zuniga表示，全球至少有500台人造人造野兽正在使用，并且该设计已下载超过48,000次。他把它带到他的家乡智利，在那里他经营一家儿科整形外科3D打印实验室，并且最近有来自尼日利亚的计划的要求。

“我对这个阶段的担忧是一些材料会在较高的温度下融化。目前这种方法的效果还不好，但是这种假肢在发展中国家有很大的潜力可以用在更好的材料上。我们目前还处于初期阶段。“

另一个试验这项技术的方案是苏丹努巴山的丹尼尔项目，在正在进行的内战中，美国医生汤姆凯特纳一直是他妈妈周围50万人中唯一的永久性医生Mercy医院。在他的宗教信仰的推动下，近十年来，这位勇敢的医生忽略了爆炸事件，缺乏电力和水资源短缺，无法做到从送婴婴到截肢等一切事情。

“因为知道没有好的解决方案，我们断断续续的手臂是令人沮丧的，”Catena通过电子邮件告诉我。“由于这里的战争和普遍缺乏医疗护理，我们有许多手臂截肢者 - 胳膊肘上方和下方。这在农业社会中几乎每个人都是自给农民。如果一个人失去了一只手臂，他在这个社会中的作用就不大了。他们完全依赖家庭，并且很难结婚[这在这个社会中也很重要]。“

当美国电影制片人兼慈善家Mick Ebeling在听到关于低成本假手的新兴作品的同时了解了慈善母亲医院的情况时，使用3D打印技术的想法就出现了。搜索关于Catena的信息时，Ebeling阅读了他的一个病人：丹尼尔奥马尔，一个12岁的男孩，他在胳膊上缠绕着一只树，以保护自己。当一枚炸弹在附近爆炸时，他的脸和身体得到了保护，但是男孩的手臂都被炸飞了。

Ebeling带着3D打印机前往Nuba山脉，与医院工作人员一起为十几个人准备了新手。“不幸的是，随着时间的推移，截肢者没有使用假肢，因为他们觉得他们太麻烦了，”卡特纳说。医生总结说：“3D模型很好，制作起来相当容易，而且价格便宜......虽然在这里效果并不好。也许经过一番调整，3D打印机可以非常适合手臂截肢者。“

然而，对于与手臂损失有关的所有痛苦和困难，较贫穷国家的更大问题是当下肢残疾导致机动性丧失时。当道路p，时，轮椅价格昂贵，难以使用，街道浑浊，路面不存在。如果没有假肢，人们很难争取水，准备食物，最重要的是要工作。这使他们回到家人和社区，加剧了任何困难和贫困。

花了将近三十年的时间试图解决这些问题的一个团体是Exceed，这是一个由柬埔寨政府要求帮助数千名地雷幸存者的外交官和学者设立的英国慈善机构。它在五个亚洲国家开展工作，在假肢和矫形器学校进行人员培训。在柬埔寨，有近9000名地雷幸存者需要假肢，尽管现在交通事故更可能是残疾的原因，而儿童也需要矫正脊柱裂，脑瘫和脊髓灰质炎等一系列常见病症。

“如果你戴假肢，你在洗澡的时候早上约10分钟停用，那么你就把腿放在上面去上班。如果你没有，那么你的手就没有用拐杖，所以你甚至不能把饮料拿到桌子上，“假肢医师Carson Harte说，他是Exceed的首席执行官。“没有假肢，没有任何期望。你只要回去依靠你家人的善意。“

由于简化形式的成本很低，通用的中国模式正在快速改进，所以并不是真正缺乏资金来拒绝这些设备。这些组件的成本只需30英镑。最大的障碍是缺乏训练有素的技术人员来安装假肢。在菲律宾，估计有200万人需要假肢或矫形器。但是，只有9名受过全面培训的专家每人最多可以每年治疗400名患者，尽管更多的人正在接受新的四年制课程的培训。

传统上，假肢医师会用石膏包扎巴勒斯坦绷带来制作倒模并让其干燥，然后用更多必须硬化的石膏填充它。由此，可以伪造一个套接字，以便对精确度进行更多的修改，以适应残端上的骨骼。必须非常小心，以避免不耐压的神经和柔软的部位。

技术人员的关键是要了解残肢的病理情况，这对每个人都是不同的。这是一个繁琐的过程，可能需要一周时间，尤其是对于持续三天的新患者进行物理治疗。它也可能是混乱的工作，混合和塑造石膏，而假肢医师访问农村地区必须运输20公斤石膏。使用3D扫描仪，数字图像可以在半小时内完成并通过电子邮件发送。

Exceed已经开始在柬埔寨与Nia Technologies这个创新的加拿大非营利组织合作进行为期七个月的3D打印设备试用。“这项技术有可能提高每个技术人员的生产率，”Harte说。“这不是关于印刷腿，也不是取代训练有素的专业人员的技能，但它有可能产生更好，更快，更容易重复的方式来完成链条的一个关键部分。没有魔法弹，但这可能是一个重要的渐变。“

尼亚还在坦桑尼亚和乌干达试用3D PrintAbility技术，那里只有12名假肢医师为约4000万人口提供服务; 在撰写本文时，所有六家州立诊所的材料已经用完。那里的医生经常会遇到失火的孩子落入明火中，而其他年轻人在患有由于严重受伤的刺戳导致的注射后瘫痪后需要戴上矫正支架。

在乌干达，其团队正在与残疾儿童康复中心Kisubi的CoRSU医院合作。整形外科技师摩西Kaweesa说，他们发现技术更轻，更快使用，以及更容易为偏远农村地区的人。“过去需要五天的时间才能生产肢体，病人很多时候都会四处闲逛。现在只有两天，所以他们花在医院的时间少得多。材料浪费也较少，所以对于像我们这样的国家来说，这可以通过降低成本来帮助很多。“

第一个在医院测试3D打印机动装置的人是一个四岁的女孩，直到那时她都在地板上拖着脚步，不得不被家人带到家里。“她出生时，她的右腿失踪了，”她的哥哥说。“她走路很难，和其他孩子一起玩。她可能很孤单。但是当她获得一条腿时，她就可以与其他人一起跑步，与其他人一起玩。“

Nia的首席科学官Matt Ratto领导了该项目的发展，他承认，只有当他看到穿着红色衣服的严肃小孩开始走路时，他才意识到自己的技术确实有效。但是，像哈特一样，他敦促谨慎。“我们被3D打印的炒作所包围，疯狂，荒谬的说法被提出，”他说。“我们必须谨慎。许多这些技术不是出于工程原因，而是因为它们不是为发展中国家设计的。你不能只是粉碎这些新技术。“

Ratto的目标是利用这项技术，在5年内在贫穷国家的约20个地点为8,000人提供3D打印移动设备。“如果我们得到这个权利，增长可能会呈指数级增长。如果我们解决这些问题并找出帮助临床医生的最佳方法，我想我们会在图表上看到一些曲棍球棒曲线。但是我们绝不能错误，行动得太快，也不能过度炒作潜力。“