全球首例!3D打印技术为患者再造拇指背后有什么故事?

看点:近日,全球首例“定制化3D 打印掌骨联合改良踇甲瓣技术再造可活动腕掌关节的拇指”手术在北京积水潭医院顺利实施,引起各方关注。3D打印技术在医疗等领域发挥越来越大的作用,你知道3D打印背后有哪些故事,以及与STEAM教育之间有什么密不可分的关联吗?今天给大家来讲述下~
一、手术背后的故事
“患者20多岁,因机器伤导致左手拇指在掌骨水平近端离断,此前已经在外院进行了再植术,但术后手指存活情况不好,随后又做了游离踇甲瓣再造拇指等几次手术,但都没有成功保指。” 北京积水潭医院手外科主任陈山林告诉记者,“患者胡安每次手术都要躺在手术台上至少5个小时以上,手术结束后,他要卧床一周左右的时间才能知道手术是否成功。当前几次他看着自己再植、再造的拇指由正常到逐渐变黑坏死,这个过程对谁都是一个巨大的煎熬。这次手术几乎是他最后一次的机会。”
患者胡安的第一掌骨缺损重建有两个点特别关键:一是重建关节,包括关节面和韧带。还有一点就是如何让金属材料的第一掌骨远端能与脚趾上的自身的骨头融合”在一起。
而这样程度的损伤,理论上,只有3D打印技术才能满足要求。
积水潭医院的医生们与3D打印技术人员做了深入的沟通,同时我们也与患者本人进行了多次沟通确认,考虑到患者左手仍保留完整的大多角骨,所以决定为患者定制化制作金属3D打印的第一掌骨,满足患者第一腕掌关节的解剖学重建,为患者的拇指再造提供良好的骨关节基础——十个小时的手术,医生们准备了几个月的时间。
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经过10个小时的精细操作,手术终于成功。术中影像显示,3D打印的假体位置满意,腕掌关节稳定且具备一定的活动度。再造拇指外观很好,长度合适,各皮瓣存活良好,脚部供区外观很好。
目前,手术已经过去两周,拇指和脚都恢复得很好,胡安终于完全放松了,每天查房,都要和医生开几句玩笑。
积水潭医院的医生们在这次手术后集体认为金属3D打印技术与各种重建手术相结合,可以解决传统方法存在的问题,满足疑难、重症患者重建满意拇指的需求。随着经验的积累,一定会为更多患者带来福音。
二、3D打印技术是什么
那么3D打印技术又到底是什么呢?它是怎么在手术中起到这么关键的作用呢?
3D打印(3DP)为快速成型技术的一种,它是一种以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术。
3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型,后逐渐用于一些产品的直接制造,已经有使用这种技术打印而成的零部件。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工(AEC)、汽车,航空航天、牙科和医疗产业、教育、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。
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2019年1月14日,美国加州大学圣迭戈分校首次利用快速3D打印技术,制造出模仿中枢神经系统结构的脊髓支架,成功帮助大鼠恢复了运动功能。
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三、STEAM教育与3D打印的联系
3D打印技术本身对大家来说都是一个比较陌生的概念,它的引进与传播少不了STEAM教育的功劳。
美国“项目引路”认为:STEAM教育课程计划旨在使学生参与活动、项目和问题解决为基础的学习,它提供了一种动手做的课堂体验。学生在应用所学到的数学和科学知识来应对世界重大挑战时,他们创造、设计、建构、发现、合作并解决问题。
近年来,STEAM教育与越来越多的先进技术进行结合,3D打印技术就是其中一种。STEAM中要求的创造、设计、建构、发现、合作都能以3D打印为载体的形式来呈现。所以很多STEAM课程选择了以3D打印机所谓许多教育课堂的重要载体。
首先在STEAM教育过程中肯定有些概念知识,例如物理化学生物等涉及到学生们日常生活范围内的概念,对于学生来说颇为抽象,即使记住了不一定会完全理解,后期也会遗忘,无法产生最优的学习效果。
所以老师们就先开始利用3D打印来吸引学生去尝试学习,模拟一些生物物理化学实验的实验过程,化微观为宏观,让学生们更加设身处地得去理解其中概念。通过3D打印这一途径概念,学生就不光是听书记诵被传授课程而已,他们能在课间甚至课后自己打印一些东西出来,用行动加深自己的记忆理解,大大提高了学习效率。
其次,3D打印可以激发学生的创意,因为3D打印的模型往往是自由的。而且3D打印的获取渠道也很广泛,十分便于学生使用。市面上有很多免费的3D设计软件,学校可以根据STEAM教育课程利用这些软件,不同的课程可以使用不同特性的3D打印软件,让学生自行设计不同的3D模型,然后把自己的创作3D打印出来,这样又在学习之余加深了学生在学习中获得的成就感,激发他们对学习的兴趣。
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最后,一个3D打印模型的诞生,包含设计、建模、切片、打印等步骤,在这其中需要学习的知识和技术非常多。既需要科学理论知识的支持,又要有实践操作能力。学习3D打印技术需要时间、技巧,和精力,不光在学习过程中可以使用3D打印,学习3D打印本身就是一个学习的过程,并且是一个有所成的过程,在后期,孩子们会清楚感知到前期所学的知识是如此的重要,学习3D打印本身就是STEAM教育的一种方式。
3D打印作为一种个性化、数字化的直接制造技术,既是STEAM教育良好的技术平台,也是其提质增效的技术手段。
 
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将3D打印技术引入STEAM教育,既能作为课程技术支撑,又包含吸引力和创新性的内容,对学生的全面发展有着深远的作用——这也是STEAM教育中广泛推崇3D打印技术的原因,一定程度上,STEAM推动了3D打印的发展,使得3D打印技术有更好的发展前景,它的进步和广泛运用,离不开STEAM教育。
四、学生如何学习3D打印?
学生如果需要入门的话首先要先了解3D打印原理以及打印机的区别,然后要想好自己是想打印什么,是用来科学实验还是组装器械解决现实问题呢?
使用3D打印需要学习文件,许多网站上都有教程可以供学生自选。初步打印完学生还需要后期处理,比如打磨上色等。
3D打印的设计过程是:先通过计算机建模软件建模,再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面,即切片,从而指导打印机逐层打印。
总而言之整个3D打印机的使用流程就是建模(下载文件),在软件内加支撑(需要自学),打印(需要多加练习),洗件去除支撑,打磨,修补,上色。
整个过程十分能培养动手能力和逻辑思维能力。并且多次尝试学习制作还能磨练自己的耐心,当完成一件作品时的成就感肯定能让学生们拥有进行下一次学习制作的动力!
目前很多学校、机构开设的3D创意课是让学生通过数字化工具3D建模加3D打印机来培养孩子动手实践的能力,让学生在发现问题,探索问题解决问题中,将自己的创意变成实物来验证。
在这个过程中,教会学生像科学家一样思考,像工程师一样设计和实践,锻炼了创新能力,计算思维能力、动手实践能力和协作能力等,全面提升了学生的科学素养和知识的融合应用能力。
参考资料来源:健康时报、百度等。