Research perspective and prospective of additive manufacturing of biodegradable magnesium-based materials

Biodegradable metals such as magnesium(Mg)and its alloys have attracted extensive attention in biomedical research due to their excellent mechanical properties and biodegradability.However,traditional casting,extrusion,and commercial processing have limitations in manufacturing components with a complex shape/structure,and these processes may produce defects such as cavities and gas pores which can degrade the properties and usefulness of the products.Compared to conventional techniques,additive manufacturing(AM)can be used to precisely control the geometry of workpieces made of different Mg-based materials with multiple geometric scales and produce desirable medical products for orthopedics,dentistry,and other fields.However,a detailed and thorough understanding of the raw materials,manufacturing processes,properties,and applications is required to foster the production of commercial Mg-based biomedical components by AM.This review summarizes recent advances and important issues pertaining to AM of Mg-based biomedical products and discusses future development and application trends.

Advances in Medical Applications of Additive Manufacturing

In the past few decades,additive manufacturing(AM)has been developed and applied as a cost-effective and versatile technique for the fabrication of geometrically complex objects in the medical industry.In this review,we discuss current advances of AM in medical applications for the generation of pharmaceuticals,medical implants,and medical devices.Oral and transdermal drugs can be fabricated by a variety of AM technologies.Different types of hard and soft clinical implants have also been realized by AM,with the goal of producing tissue-engineered constructs.In addition,medical devices used for diagnostics and treatment of various pathological conditions have been developed.The growing body of research on AM reveals its great potential in medical applications.The goal of this review is to highlight the usefulness and elucidate the current limitations of AM applications in the medical field.

增材制造技术的临床应用

背景:增材制造技术由于其快速成型及其数字化、个性化等特点,为个性化、精准化的医疗提供了强有力的技术支持,因此其医疗器械产品在骨科、口腔、术前规划、颅颌面部等临床应用中快速发展。目的:简要介绍国内外增材制造技术研究进展及其产品在临床应用领域中的商业化应用情况。方法:以“增材制造,医疗器械,临床应用,3D打印”为中文检索词,以“additive manufacturing(AM),additive manufacturing technology,medical device,clinical application,3D printing”为英文检索词,分别检索万方数据、中国知网及PubMed、Elsevier、Springer Link数据库,以及国家药品监督管理局及FDA网站。检索时间范围重点为2010年1月至2023年3月,同时纳入少数经典远期文献。结果与结论:增材制造技术以原材料形态(液体基、固体基、粉末基)为分类方式,目前已有的增材制造工艺有熔融沉积成型技术、立体光固化成型技术、粉末床熔融技术、定向能量沉积技术、黏结剂喷射打印3D技术、喷墨打印技术、分层实体制造技术等7种。已上市的增材制造产品有骨科产品、口腔科产品、术前规划导板/骨模型产品和颅颌面部产品,骨科产品有匹配式长段骨缺损修复体、椎间融合器、膝关节矫形器、椎体假体、胸腰椎融合匹配式假体系统、膝关节假体和髋关节假体;口腔科产品有增材制造用光固化临时冠桥树脂和BB Base 3D Printing Resin for Denture Base;术前规划导板/骨模型产品有骨模型、医用骨科手术导板、定制式牙科种植用导板、人体器官模型;颅颌面部产品有聚己内酯支架、患者专用颅骨植入物、OsteoFab患者专用面部设备、SpinFab VBR假体、TruMatch CMF钛合金3D打印假体系统。

金属增材制造医疗器械生产环节关键控制点与案例研究

该研究从监管的角度归纳总结了金属增材制造医疗器械在生产质量管理中的关键控制点,包括人员、硬件、设计开发、采购控制、生产管理和质量控制等方面,并重点分析了典型案例,为医疗器械监管部门和企业提供参考。

定制医疗器械增材制造的负载均衡进化调度方法

目的/意义提出并利用负载均衡进化调度方法,缩短定制医疗器械增材制造生产活动中的等待时间、均衡各机器负载。方法/过程通过分析时间维度下的影响因素,建立双目标多约束优化问题的数学模型,引入负载均衡算子,采用负载均衡进化调度算法求解模型。结果/结论含有负载均衡算子的负载均衡进化调度方法在任务等待时间和负载均衡性能方面优于其他算法,特别是在大规模任务下效果显著。该方法能够有效缩短任务等待时间并实现机器负载均衡。

我国增材制造个性化医疗器械上市前监管现状和挑战

增材制造个性化医疗器械是当前研究热门和监管科学研究重点。本文全面梳理了当前我国增材制造个性化医疗器械的上市前监管现状,包括产品定义、监管模式和分类管理等法规要求,指导原则和标准体系建设等内容。同时,结合国际前沿的监管研究和技术进展,提出当前监管科学研究面临的新问题和挑战,为相关人员提供参考。

增材制造医疗器械行业的发展现状

随着增材制造(AM)技术的发展和精准医疗概念的推广,AM医疗器械逐渐在定制化齿科及个性化植入领域被广泛应用。但在注册取证环节,国内仍旧缺少AM医疗器械的审评指导原则及针对性国家和行业标准。此外,AM技术本身在制造过程中的不确定性将引入较大风险,因此急需在设计、原料、设备、成型、后处理等医疗器械全生命周期进行质量控制,完善国内AM医疗器械技术标准和监管体系。为此,该研究对AM医疗器械行业发展现状进行了综述,以期助推AM技术在医疗器械行业的高质量发展。

陶瓷3D打印在医疗领域的研究与应用进展

生物陶瓷因其生物相容性和力学稳定性而广泛应用于生物医学领域,但目前用于制造生物陶瓷产品的传统工艺较为耗时且成本昂贵。作为一种增材制造技术,三维(3D)打印更适合制备复杂形体。同时由于所需植入物形状各异,3D打印柔性化的特点为生物陶瓷植入物的制备提供了个性化定制的可能。综述陶瓷3D打印的材料、工艺及特点,阐述陶瓷3D打印研究现状及其在医疗领域的应用,阐述限制陶瓷3D打印技术发展与医疗领域中应用的瓶颈。

IMDRF《个性化医疗器械监管路径》指南解读和探讨

目的 解读IMDRF新修订的《个性化医疗器械监管路径》指南重点内容,为我国医疗器械监管法规体系进一步完善提供参考。方法 分别阐述个性化医疗器械的监管要求和医疗机构内生产医疗器械的监管模式,分析我国实施医疗机构内生产医疗器械监管的可行性。结果 医疗机构内生产医疗器械的不同监管模式均有一定可行性且存在不同监管风险。结论 结合IMDRF指南的建议和我国临床和监管实际,加快完善我国医疗机构内生产医疗器械的法规及配套文件。

激光选区熔化技术及其在个性化医学中的应用

激光选区熔化是一种精密金属增材制造技术,可以成形任意复杂的功能零件。个性化医学用品需要具有个性化的几何外形和良好的生物性能,为了探究激光选区熔化在个性化医学用品中的应用,采用Di Metal系列激光选区熔化设备成形医用金属材料如316L不锈钢、Co Cr Mo合金、Ti6Al4V,并对医用金属材料成形致密度、成形力学性能和几何结构成形性进行了研究。通过个性化设计和Di Metal系列激光选区熔化设备,设计与制造了个性化牙冠、舌侧正畸托槽、手术模板、全膝置换股骨远端假体、股骨近端假体、颅骨修复体等医学用品。研究证明Di Metal系列激光选区熔化装备、工艺可用于个性化医学用品的快速制造,这为个性化医学用品的快速响应设计与制造提供了一种新的手段。

3D打印钛及钛合金医疗器械的优势及临床应用现状

3D打印作为一种新型快速成型制造技术,在个性化、复杂三维结构及难加工医疗器械的制造中,无论在成本还是交付时间上,都体现出传统技术无可比拟的优势。本文概述了3D打印医疗器械的主要应用特点和优势,重点论述了3D打印钛及钛合金医疗器械的研究动态、临床应用及病例,对其大规模广泛应用和推广前景进行了展望。

定制式医疗器械监管模式探讨

定制式医疗器械在产品设计、生产、使用等全生命周期中的各个环节均与标准化医疗器械存在差异,对定制式医疗器械的监管应有其特殊性。该文介绍了不同国家用于定制式医疗器械监管的相关法规政策和管理措施,分析总结各国定制式医疗器械监管模式中存在的共性原则,同时结合中国定制式义齿的管理经验及监管现状,从定制式医疗器械的定义及管理、质量体系、临床评价及上市后使用等方面对定制式医疗器械监管模式进行深入探讨,以期能为相关研究者提供借鉴。

定制式和患者匹配增材制造医疗器械医工交互全过程构成要素与控制方法研究

目的:在现阶段生产和临床应用经验的基础上,以保障定制式和患者匹配增材制造医疗器械的安全性和有效性为目的,围绕医工交互环节,寻找并提炼其关键环节及其构成要素,提出要素控制的重要性并探讨相关控制方法。方法:通过检索和研究现阶段文献,深入临床机构和企业调研。对使用定制式和患者匹配增材制造医疗器械的临床机构、生产企业和患者的沟通流程进行研究,梳理每个环节和关键要素。基于现阶段法规,提炼各关键要素的控制方法,结合中国医疗器械行业协会3D打印医疗器械专委会组织制定的团体标准,形成本文。结果与结论:现阶段,定制式和患者匹配增材制造医疗器械的生产和临床应用仍缺乏足够的实践经验,所以出于安全有效应用和质量控制的考虑,有必要通过对医工交互全过程的监控,实现定制式和患者匹配医疗器械全过程的严密控制,使其设计开发、生产加工和临床应用得到保障。

增材制造骨科植入型医疗器械的发展现状及应用

目的介绍国内外增材制造骨科医疗器械的发展及应用情况,并对基于增材制造技术的定制式骨科植入型医疗器械发展方向进行讨论,以期能为相关研究人员提供参考。方法结合增材制造技术在医疗器械领域的发展现状,简要说明其普遍存在的问题,并对增材制造技术的个性化骨科植入型医疗器械的发展方向进行讨论。结果增材制造是一种通过材料的逐层累加以实现零部件自由成型的加工生产工艺。近年来,增材制造技术因其可实现复杂结构等优势在医疗器械领域,尤其是骨科植入物方面得到了广泛应用,不仅为产品生产提供了一种新的加工工艺,也为医疗产业带来了便利。结论迄今为止,国内外已有多种基于增材制造技术的骨科医疗器械在临床上得到广泛应用,利用增材制造技术完成复杂的医疗器械结构的设计与制造,用于满足特殊需求的治疗案例也越来越多,基于增材制造技术的定制式骨科植入型医疗器械也逐步成为医学研究的热点之一。

医用增材制造医疗器械的质控重点与标准化工作进展

可利用3D打印技术制造的医疗器械种类包括齿科器械、骨科器械和心血管器械等。由于技术的独特性,应该从工艺全环节对3D打印的医疗器械展开质量控制研究,涵盖原材料、工艺验证、设备、数据传输和风险管理等。此外,也有必要建立评价方法的相关标准和质量控制标准。质量控制研究和标准化工作有助于推进增材制造技术在医疗领域的安全有效应用。本文对医用增材制造医疗器械质量控制的关键点和标准化工作的进展进行阐述,以期为该行业的研发提供帮助。

3D打印在医疗器械领域的应用现状及展望

3D打印作为一种新型制造技术,正愈发广泛的应用于各行各业。该文将着重介绍此技术在医疗器械制造领域的应用现状并对未来发展进行展望。3D打印可应用于高分子、陶瓷、金属、复合材料甚至细胞组织的三维立体加工,其成型技术多种多样。尽管国内外目前仍多集中于科学研究,临床应用以及初期的商业开发已悄悄拉开帷幕,然而该技术的革命性及其在医疗行业的进一步发展需要医疗器械监管方面的变革。

基于增材制造技术的医疗器械标准体系研究

基于增材制造技术的医疗器械是一类融合了多学科、多技术的复杂医疗器械,需对其质量进行严格控制,因此有必要制定专用的标准体系来对其进行约束和规范,从而引导产业发展。本文梳理了国际和国内增材制造标准化现状,国际方面主要由ISO/TC 261和ASTM F42从事相关的标准化工作及研究,国内由SAC/TC 562负责机械领域国家标准制修订工作。在医疗领域,医用增材制造技术标准化技术归口单位负责该领域的标准制修订工作。根据增材制造工艺和医疗器械的质控重点,本文从基础标准、数据/软件、设备、材料及工艺/方法5个方面着手,提出标准体系的设计研究思路,为我国医用增材制造技术医疗器械领域标准化工作的科学有序开展提供参考。

IMDRF个性化医疗器械术语解读

目的:解读个性化医疗器械术语,为未来个性化医疗器械监管要求的建立提供参考。方法:本文主要介绍了国际医疗器械监管机构论坛(IMDRF)发布的《个性化医疗器械术语》指南,解读和对比定制式医疗器械、患者匹配医疗器械和适应性医疗器械三类个性化医疗器械。结果与结论:在医疗器械的设计、生产和使用环节,三类个性化医疗器械的个性化程度不同。

无源植入性骨、关节及口腔硬组织个性化增材制造医疗器械注册技术审查指导原则探讨

目的介绍《无源植入性骨、关节及口腔硬组织个性化增材制造医疗器械注册技术审查指导原则》重点内容和编写思路。方法分别阐述了个性化设计确认和验证和增材制造体系建设的核心内容和重要性。结果个性化设计需要在医工交互管控下进行,并完成对产品性能充分地确认和验证。同时,针对个性化增材制造生产质量体系的特殊性,阐述了技术重点关注内容。结论个性化设计、增材制造医疗器械的特殊技术问题需要技术审评和监管中采取新思路和新方法。

国内外定制式增材制造医疗器械监管法规概述及对行业发展的思考

目的概述国内外定制式增材制造医疗器械监管法规,分析医疗器械监管科学研究对增材制造医疗器械行业发展的意义,以期能够为生产企业及监管机构未来的工作提供参考。方法该文通过对国内外关于定制式增材制造医疗器械监管法规及注册体系进行分析,剖析定制式增材制造医疗器械监管法规及注册体系的创新发展对于我国医疗器械行业发展的拉动效应。结果美国、欧盟、澳大利亚、加拿大、中国均已建立定制式增材制造医疗器械监管法规及注册体系,给出了定制式医疗器械的定义,明确了定制式医疗器械临床使用和上市后监管的要求,但各国间还存在一定的差异,使得各国对于定制式医疗器械的监管模式也稍有差异,建立医疗器械科学监管模式将推动增材制造医疗器械行业发展。结论构建基于精准风险控制的评价监管体系,加强监管人员、审评人员与科研、医疗人员间的相互协同作用将有助于定制式增材制造医疗器械科学监管模式的构建。