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医疗案例研究

3D 打印帮助拯救生命

从“与糖尿病战斗”到小 Emma 的“魔法手臂”,医疗专家正在使用 3D 打印帮助他们拯救生命,并改善医疗卫生条件。

了解医疗精英们如何借助 3D 打印更快地进行革新、打破革新之路上的障碍,以及利用更少的资源做更多工作。

Objet 3D 打印机帮助 Biorep 加速糖尿病治疗探索进程

在内部制作快速原型的能力使医疗设备开发时间减半,加快了设备上市速度

Biorep Technologies 是医疗行业的原始设备制造商,专注于开发治疗糖尿病所需的设备。Biorep 是位于迈阿密的世界著名糖尿病研究院的附属机构,致力于提供价格合理的胰岛分离设备,以便更多研究中心可使用该技术。

Biorep 的设计团队由工程主管 Felipe Echeverri 和研发工程师 Andres Bernal 领导。自 1995 年公司成立之日起,他们俩就开始了原型制作生涯,不过那时是在机械车间进行制作。Biorep 偶尔会与服务机构合作来制作小零件的快速原型,用于设计评估。

快速原型制作项目不断增多,促使 Biorep 开始寻找可在内部使用的 3D 打印机

到 2007 年,Biorep 的设备发展得更小更精密,Echeverri 和 Bernal 发现他们外包小零件快速原型的情况越来越频繁。外包量增大到一定程度后,内部引进快速原型制作技术变得具有商业意义。

“当时,Biorep 缺乏经济的方式来制作快速原型,”Echeverri 回忆到。“外包 3D 打印模型通常比内部加工更为昂贵,并且可能更慢。如果能够在办公室夜以继日地打印零件,我们的设计效率必然会提高。因此我们开始评估 3D 打印系统。“

出于易用性和成品质量考虑而选择了 Objet Eden250

Biorep 对于内部采用的 3D 打印机系统的标准包括:准确度、易用性、维护要求、表面光洁度和价格。“最常见的情况是,我们在进行注塑成型加工前使用快速原型来验证概念并检查配合度、形状和功能,因此准确度是最重要的因素,”Echeverri 说道,”但如果自己有能力,我们估计我们还会制作约两倍数量的原型,并且我们拥有一个小型团队,因此易用性和可靠性也十分重要。”

Biorep 的最终决定是 Objet 的 Eden250 3D 打印机,这是一个小型系统,是高质量快速原型制作的最佳入门之选。该系统将市场领先的 Objet 专利 PolyJet™ 技术融入几乎所有设计或制造操作领域。Eden250 提供轻松、快速、清洁、经济地准确构建任何几何形状的完善解决方案。采用 Eden250 所得到的模型光滑耐用,细节完美,表面光洁度上佳。该系统极具成本效益,占地空间小,采用完全清洁的流程,非常适合标准办公室环境。与其他一些 3D 打印系统不同,该系统可安装在一般的门道上,安装简单而快速。

“Eden250 是我们的理想选择,”Echeverri 说到,“它适合办公室环境、干净、易用、便于维护,可得到具有上佳表面光洁度的准确零件。”

内部制作快速原型的能力使新产品开发时间缩短了六个月

根据 Echeverri 的报告,Eden250 已帮助他的团队做出了更好的设计,并且加速了新产品上市速度。

集中体现出这些优势的一个近期项目为 Biorep 正在申请专利的收缩歧管。根据 Bernal 所述,评估液体的医疗实验室通常使用名为夹管阀的装置将液体保留在硅胶管中,以免液体接触到设备。顾名思义,夹管阀夹住管子,使其闭合以容纳液体。然而,夹管阀往往容易过热并且依靠管子的压力来工作。其可靠性很糟糕,并且价格昂贵。在电力中断时,夹管阀可能会意外打开,造成内部液体泄漏。

Biorep 的关键设备需要 32 个可靠的非接触式夹管阀。由于无法使用现有的夹管阀,Biorep 团队决定自己设计一个。

Biorep 的收缩歧管具有传统夹管阀的非接触式特征,使用一系列凸轮和一个电机来控制若干个通道中的液体。“我们的收缩歧管提供了引导液体的新方法,并且绝对不会接触阀零件,”Bernal 说道,“液体仅会接触一次性使用的硅胶管。在无菌实验室环境中,避免设备被正在处理的血液或细菌等液体污染十分重要。因此非接触式阀显得至关重要。”

此外,Bernal 还说道:“该系统可扩展成您需要的任意数量通道,而传统夹管阀系统通常只处理一个通道,因此该系统的效率高得多。并且因为收缩歧管是机械式而非电磁式,因此具有失效保护功能。出现电力中断情况时,收缩歧管仍能保持其位置。”

Bernal 开始验证设计,所有设计均通过 Eden250 制作原型。“我们很快就意识到自己在做一项很有意义的工作,”Echeverri 说道,“我们使用 Objet 原型向管理层介绍项目情况,它对于我们推广理念真的大有帮助。我们一直在正确的道路上前进。”

“在内部制作快速原型的能力对于本项目的成功绝对功不可没,”Bernal 说道,“首先,我们设计零件时无需考虑加工限制,可充分自由发挥,一旦有新想法,可以马上设计、打印和测试。其次,由于能够以极低的成本快速制作大量原型,因此我们能做大量测试。这可帮助我们在早期发现并确定一些功能性问题,如果在晚些时候才发现这些问题,势必会对项目造成不利影响。”

收缩歧管具有约十几个零件(不包括电机),所有零件都由 Eden250 单独制作出原型,然后再进行装配。一些早期设计由于其几何形状过去无法进行加工。“我们总共制作了五个完整的原型,还有许多单独的零件,”Echeverri 回忆说。“我们在晚上打印零件,早上来到办公室时就可以立即测试我们的新想法。

Eden250 可能节约了六个月的项目时间,这样我们可以更快向市场推出收缩歧管。”

3D 原型帮助公司赢得了关于创新培养皿设计的 NIH 资助

Biorep 成功应用 Eden250 的另一个近期项目是硅隔膜培养皿,Biorep 将这个项目称为“氧气三明治”。标准塑料培养皿只能从上部供氧。糖尿病研究所 (DRI) 的科学家们猜测如果氧气能够从上部和下部达到培养皿中的细胞,那么细胞可以更好地呼吸,从而更好地存活。

“氧气可穿透硅,因此我们决定尝试设计硅隔膜培养皿,”Echeverri 解释说,“DRI 的科学家们研发出了获得专利的可增强氧渗透性的硅共混物,该设计用氧气从上方和下方包封细胞,因此我们将其称为氧气三明治。”

DRI 科学家们设计出了隔膜,Biorep 的任务是设计利用标准培养皿的形状和功能来容纳隔膜的方法。

Echeverri 的团队利用其 Eden250 制作出初始设计的原型,然后用多种方法进行试验,以确保可制造性和正确装配。“隔膜的最终设计只有 300 微米厚,但强度足以承受实验中的处理而不会破裂,张紧度足以防止隔膜松垂。我们通过不同的配置制作了大量原型,最终得到这一结果,“Echeverri 说道。

团队还通过原型制作来确保设计适合量产。在该研究期间制作的原型最近用于申请美国国立卫生研究院 (NIH) 资助,以获得帮助产品继续开发的资金。“拥有 Eden250 制作出的真实原型对于我们验证概念和得到 NIH 资助帮助很大,”Echeverri 说道。“当您提出全新的设计类型时,CAD 图纸的作用十分有限。”

硅隔膜培养皿从图纸阶段进展到目前正在多个实验室进行现场试验阶段,Biorep 只用了短短六个月时间。“六个月对于一种医疗设备从概念发展到现场试验阶段而言,无疑相当短,”Echeverri 表示,“在内部制作快速原型的能力使开发时间减半。”

早期现场试验结果显示:据 DRI 科学家们报告,现在细胞更健康并且能产生更多胰岛素,这对于推动糖尿病研究来说至关重要。Biorep 对于除糖尿病研究领域之外(如干细胞)产品的商业化也持十分乐观的态度。

3D 打印机将 Biorep 从加工限制的束缚中解脱出来,帮助设计者打破常规、创新思考。

Biorep 的研发工程师 Bernal 完全赞同 Echeverri 的看法,都认为自购 Eden250 对于帮助提高 Biorep 设计的整体质量大有帮助。“在内部制作快速原型的能力的确可在设计时帮助我们跳出各种条条框框的束缚,”Bernal说道。“3D 打印跳过了设计-制造的步骤,帮助我们快速测试创新概念。有了 Objet 打印机,我们可以划分设计意图的优先级,并利用装配组合来验证我们的概念。”

Echeverri 认为拥有内部 3D 打印的能力也有助于使 Biorep 的产品和收入多元化。“我们现在可设计更多项目并进行其原型制作,”他说到。“例如,现在我们的工作涉及从眼科研究应用到外科手术仪器概念的各种领域。过去我们没有时间或资源来做这些工作。

我们的产品开发周期更快,因为现在我们可以同时验证多个不同设计概念。夜以继日地不间断打印零件的能力无疑十分有帮助,如今再没有传统加工不同设置引起的成本和时间延误困扰。“

实际上,Biorep 已发现 Eden250 创造的价值如此之大,正考虑购买第二台可使用更多种材料来打印功能性零件的 3D 打印机。

Echeverri 表示,虽然 Biorep 因 Objet 打印机在成本方面的优势而获益不少,但真正的回报是通过原型设计出更完善的设备,使人们的生活更加美好。“这就是我们这样做的原因所在,”Echeverri 说道。“所有一切都只为找到治疗方案。”

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