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聚焦3D打印眼鏡:可根據個體角膜形狀“量身定制”
2018-08-12 07:15:03 來源: 新京報
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  3D打印新突破 定制鏡片配角膜

  根據個體角膜形狀“量身定制”,呈現不規則鏡面形狀;3D打印已應用于多個醫療領域

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  7月30日,北京同仁醫院,視光中心副主任宋紅欣在展示3D打印的鏡片。本版攝影/新京報記者 王嘉寧

  角膜“變形”患者未來可能戴上3D打印的定制眼鏡。記者近日從北京同仁醫院了解到,該院視光中心副主任宋紅欣博士正嘗試利用3D打印技術制作“自由曲面”的定制鏡片。

  普通鏡片表面是圓滑的凸起,“自由曲面”意味著突破這種規則光滑面,呈現出不規則的鏡面形狀,根據每個人的角膜形狀,做到精準折射光線、矯正視力。3D打印鏡片能精確吻合角膜形狀,起到“量身定制”的效果。

  這一靈感源自美國NASA自適應光學係統。星星會“眨眼”是常見的光學現象。由于大氣湍流不斷變化,星星發出的光芒在穿過大氣層時受到影響會時隱時現,影響天文觀測。為抹平“噪點”,NASA將自適應光學係統用于天文望遠鏡——由可自由活動的多個小鏡片組成一塊大的變形鏡,變形鏡接收到係統發送的像差信號後會自行調整鏡面、矯正像差,讓星星不“眨眼”。

  3D打印眼鏡,相當于一個縮小的“變形鏡”。其設計圖來源于每名患者各自的角膜形狀,打印機根據“地圖”,通過噴射液體的方式,一層層地將完全吻合個體角膜形狀的鏡片打印出來。目前,宋紅欣博士已初步實現自由曲面鏡片的高精度制造。

  新京報記者 戴軒

  傳統鏡片難拯救不規則角膜

  這一特殊眼鏡,意在解決特殊人群的視力障礙——圓錐角膜是一種以高度不規則近視散光和不同視力損害為特點的原發性角膜變性疾病,該病在人群中的發病率為1:2000,疾病一般開始于青春期,發病原因目前仍不明確。這一疾病帶來的嚴重高階像差,會讓普通眼鏡失去效果,角膜外傷、角膜炎、角膜移植等患者均可能發展出高階像差,這一群體人數近百萬。

  “普通的角膜表面光滑凸起,而他們的角膜坑坑洼洼,出現了很多不規則的凹陷。”在同仁醫院,宋紅欣在紙上畫出了嚴重高階像差的角膜形狀——一段弧形曲線,中央部分呈現出了波浪狀的線條,像是原本光滑的溫泉蛋一側被挖出了光滑的小鋸齒。

  視力正常的情況下,外界的光線穿過角膜,在人類的視網膜上成像,形成準確的畫面信號。普通的近視人群因晶狀體變形,光線聚集在視網膜前,需要通過眼鏡進行調整,將成像點後移,保持視力清晰。而一旦出現嚴重高階像差,意味著光線在通過坑洼的角膜時,從各個不同角度被折射、在晶狀體中形成了混亂光軌,哪怕架上一副鏡片,也無法改變其在眼球內的失序。這也是為什麼普通眼鏡無法拯救其視力的原因。

  如果3D打印的自由曲面眼鏡成為現實,鏡片就可以與角膜“同調”,通過調整不同的光線折射方向,讓其在眼內有序成像。

  宋紅欣表示,傳統制鏡工藝未必不能做到這一點,但在個性化需求面前市場化變得不現實。每位患者角膜形狀不同,鏡片的曲面也不同,意味著每一片鏡片都要單獨模型、單獨流水線制作,産品將是天價。3D打印的優勢,正在無需額外成本就能實現精細制作。

  3D打印已涉足多個醫療領域

  3D打印的優勢在醫學領域被認為有廣泛前景。早在9年前,我國就有醫療機構嘗試涉足這一領域。

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  7月30日,同仁醫院,宋紅欣在檢查3D打印的鏡片。

  2009年10月,北醫三院骨科的兩位專家在出國學術交流中見到了3D打印設備,意識到這種打印材料或能解決人工關節一直以來存在的問題。

  其中一位骨科專家蔡宏解釋,人體骨骼結構天然存在很多孔隙,如果金屬表面能倣照其擁有微小且完全連通的孔隙,人的骨頭就能長入孔隙中,讓植入物更牢固。但傳統人工關節通過模具鑄造生産,很難在金屬表面再實現一層精確的微小孔隙涂層。相比之下,3D打印是電腦建模,通過粉末冶金方式制造,能更靈活地設計生産帶精密孔隙結構的人工關節。

  那年起,北醫三院著手進行脊柱外科的3D打印植入物研究。2015年7月,該院研發出的我國首個3D打印人體植入物獲CFDA注冊批準,讓3D打印髖關節進入“量産”時代。次年,3D打印椎體假體、椎間融合器獲得CFDA注冊批準,使我國在3D打印骨外科領域處于國際領先地位。

  這只是3D打印在醫療領域的應用案例之一。

  去年9月,北京大學口腔醫院牽頭的重點項目3D打印種植牙完成動物實驗,進入臨床試驗階段。該技術一旦廣泛應用,將省去用骨材料填補骨與植入體之間的空隙這一步驟,降低手術難度,讓更多患者能夠受益。

  在國外,研究人員開發出了可以隨著兒童的成長而自我調節的3D打印心臟支架,避免了在成長過程中需要二次手術更換植入物的需要。對人造心臟等人體器官的3D打印研究,也一直備受關注。

  技術難題和成果轉化問題待解

  前景光明,道路坎坷。3D打印在臨床上的落地仍面臨不少技術難題。從堅硬的骨骼到柔軟復雜的人體內臟,人們希望3D打印能帶來更多治療突破,然而,現有的3D打印心臟售價昂貴,只能跳動半個小時,3D打印韌帶、肌腱、軟骨組織等仍停留在形似階段,功能性還無法實現。

  在光學領域,3D打印面臨的是一片處女地。

  “3D打印的核心之一在于材料,我們現在仍在尋找合適的光學材料。”宋紅欣介紹,他們已經初步實現了自由曲面鏡片的高精度制造,加工成本較傳統方法降低10倍以上。但由于經驗不足,材料上的難點仍待突破,他們現在使用的光敏材料在固化中會發生形變,影響折射效果。

  此外,他期待在成果轉化過程中,能獲得更多法律、市場等專業領域的支持。

  記者了解到,近年來,科技成果轉化日益受到重視。2016年4月,國務院發布《關于印發促進科技成果轉移轉化行動方案》;同年9月,原國家衛生計生委公布《關于加強衛生與健康科技成果轉移轉化工作的指導意見》,提出科技成果轉移轉化是衛生與健康科技創新的重要內容,對推進“健康中國”建設具有重要意義。

  宋紅欣希望,將來我國也能建立相關成果轉化機制,讓金融、法律等專業人士加入,以提高醫療創新成果轉化效率,降低産業化風險。

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【糾錯】 責任編輯: 郝多
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