■高速3D 列印研究中心 / 謝志華 專案助理教授
前言
醫學領域裡廣泛的使用許多3D列印技術，早期利用斷層掃描及核磁共振等醫學掃描數據來製作精準的器官模型，使醫師在手術前得以預先演練開刀程序及進行規劃，不僅能提供醫學治療上的輔助，更能縮短手術時間。近期，業界及學界研究中心在軟硬體上投入許多研發資源，使得3D 列印技術取得大幅度的進步，並促使許多不同製程的誕生，並被廣泛的使用在醫療領域中。但醫療領域裡有許多的規則與限制，本期內容將以實際醫療實施例提出適合的3D 列印製程，並簡略介紹各製程原理。
熔融沉積成型技術製作個人防護型裝置
由於Covid-19 病毒肆虐造成全球感染，醫療重症病房無法容納更多的病患，供不應求的狀況下將癱瘓國內外醫療系統，為避免醫療體系崩潰，誕生了一種個人防護裝置的概念，可以針對醫護人員或症狀不嚴重的病患使用。防護裝置主要由防護面罩、濾心及高流量呼吸器構成，防護面罩的作用為隔離使用者與外界直接接觸，濾心可過濾病毒，高流量呼吸器提供外部的氧氣或空氣穩定輸入。面罩及濾心這類的規格品可輕易的取得，高流量呼吸器則可使用3D 列印技術針對面罩及濾心去設計並製作出來。目前在3D 列印技術的共享網站，已有許多關於呼吸器的設計，並且可以透過熔融沉積成型機臺製作。
熔融沉積成型機臺為目前最主流的3D 列印技術，原理為將材料加熱通過噴嘴以一定的壓力將材料噴塗於列印區內，經冷卻固化成型並逐層堆疊成三維的立體結構。此類3D 列印成型機制以熱燒結為主，透過平臺移動，將可輕易的達成加法製造，並且此機臺的架設成本極低，是目前學界與業界最為普及的3D 列印機臺。呼吸器的設計僅提供一定的強度，及需要穩定的氣體輸入，在目前因疫情癱瘓的工業體系下，可以以共享網站串聯私人的熔融沉積機臺來製作零件。
圖1：個人防護裝置的設計概念[8]
積層製造用於微流道晶片的製作
微生物晶片及實驗室晶片(Lab-on-Chip) 常用於需求在少量的檢體來產生對應的檢驗數據，透過分流結構也可設計成同一份檢體進行多種測試，將可大幅減少檢驗時間，方便攜帶及即時驗證的優點也可減少建置大型檢驗實驗室的成本。微流道晶片通常以微機電技術製作，利用精密雷射或是微蝕刻技術製作單層的微結構於透明材料上，再利用對位技術覆蓋另一層透明材料進行封裝，通常另一層結構會設計直立的結構，液體將可透過輸入及輸出口在流道內流動。
微機電技術製作微流道晶片，製程上需要多道工序，且需要進行晶片封裝，這些步驟都需要一定的技術含量，才能使檢驗晶片產生穩定的反應，得出更加準確的測試結果。拜積層製造光固化技術的進步所賜，提供了更加精密的解析度及更大的投影面積，促使以積層製造技術製作微流道結構得以實現。目前主流的光固化3D 列印技術是使用噴印頭噴出紫外光樹脂及利用雷射或DLP 投影在紫外光樹脂槽，兩者都是在成型平臺固化產生立體結構。利用光固化3D 列印技術可一體成型的製作微流道晶片，且可在內部形成特殊或複雜的微結構，省去外部對位及封裝的程序及成本。
積層製造技術於牙科與骨科的應用
3D 列印可以應用於口腔科與骨科上，作為輔助醫師進行手術的一種工藝技術，一般常見的為定位導板、骨科植入物及切骨導板等元件製作。牙科數位技術則是3D 列印應用在醫療領域中最熱門的專科，因此也產生了許多研究結果，目前最常用在牙齒的矯正與上下顎的調整手術。在醫療領域裡，最重要的因素是可以客製化設計，經由醫療級掃描設備將病患的器官資訊數位化後，完全複製或設計一套客製化的輔具。一般用於製作醫療零件的材料有PA12、ABS、Ti6Al4V、鈷鉻合金和不銹鋼等，常用的技術為選擇性雷射燒熔技術，以雷射或電子束在粉體材料上，進行高精度與效率的燒結成型，這種技術可在設計時加入各種微孔結構，來減輕材料重量。
結語
醫學領域與工業領域不同，非以快速製造為主，反而是對精密及客製化製造有相當嚴格的要求，而積層製造技術最適合小批量大生產，或是不須模具的客製化製造。拜掃描技術、醫療級材料及積層製造設備的進步，積層製造已可製作高精密的醫療器材，並可輕易的利用熔融沉積成型、光固化技術、選擇性雷射粉床技術，甚至是射流熔融3D 列印技術製作結構。■
參考文獻
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[6].文章首圖（ 中） 為MJF 4200 3D 列印機：HP 惠普 https://www8.hp.com/tw/zh/printers/3d-printers/products/multi-jetfusion-4200.html
[7].文章首圖（ 右） 為Lisa 3D 列印機：SINTERIT https://www.sinterit.com/
[8].圖1 呼吸器，引用自 https://isinnova.it/archivio-progetti/easycovid-19/
[9].圖2（ 左） 為ATOM Delta 3D 列印機： 達億機械有限公司http://www.mastech3d.com/3dprinter/fdm
[10].圖2（右）為LulzBot 3D 列印機：三帝瑪公司 https://3dmart.com.tw/shop/lulzbot-taz-workhorse
[11].圖3（左）為微流道血液分流實驗，引用自https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.analchem.6b04587#
[12].圖3（右）為微流道結構示意圖https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780081000724000058
[13].圖4（左）為Form 3 列印機：臺灣天馬科技股份有限公司https://www.taiwanteama.com.tw/data_840
圖2：ATOM Delta 型式及LulzBot XY 型式的FDM 機臺[9] [10]
圖3：Bio-marker 微流道設計及血球與血漿分離示意圖[11] [12]
圖4：Form3 光固化3D 列印機及微流道元件[13]
圖5：AMP-160 3D 列印機( 左)；客製化牙齒( 右)（圖片來源：東台精機提供）
