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聚焦3D打印眼镜:可根据个体角膜形状“量身定制”

2018-08-12 09:57:40     来源:中国网     作者:张小林

  3D打印新突破 定制镜片配角膜

  根据个体角膜形状“量身定制”,呈现不规则镜面形状;3D打印已应用于多个医疗领域

聚焦3D打印眼镜:可根据个体角膜形状“量身定制”

  7月30日,北京同仁医院,视光中心副主任宋红欣在展示3D打印的镜片。本版摄影/新京报记者 王嘉宁

  角膜“变形”患者未来可能戴上3D打印的定制眼镜。记者近日从北京同仁医院了解到,该院视光中心副主任宋红欣博士正尝试利用3D打印技术制作“自由曲面”的定制镜片。

  普通镜片表面是圆滑的凸起,“自由曲面”意味着突破这种规则光滑面,呈现出不规则的镜面形状,根据每个人的角膜形状,做到精准折射光线、矫正视力。3D打印镜片能精确吻合角膜形状,起到“量身定制”的效果。

  这一灵感源自美国NASA自适应光学系统。星星会“眨眼”是常见的光学现象。由于大气湍流不断变化,星星发出的光芒在穿过大气层时受到影响会时隐时现,影响天文观测。为抹平“噪点”,NASA将自适应光学系统用于天文望远镜——由可自由活动的多个小镜片组成一块大的变形镜,变形镜接收到系统发送的像差信号后会自行调整镜面、矫正像差,让星星不“眨眼”。

  3D打印眼镜,相当于一个缩小的“变形镜”。其设计图来源于每名患者各自的角膜形状,打印机根据“地图”,通过喷射液体的方式,一层层地将完全吻合个体角膜形状的镜片打印出来。目前,宋红欣博士已初步实现自由曲面镜片的高精度制造。

  新京报记者 戴轩

  传统镜片难拯救不规则角膜

  这一特殊眼镜,意在解决特殊人群的视力障碍——圆锥角膜是一种以高度不规则近视散光和不同视力损害为特点的原发性角膜变性疾病,该病在人群中的发病率为1:2000,疾病一般开始于青春期,发病原因目前仍不明确。这一疾病带来的严重高阶像差,会让普通眼镜失去效果,角膜外伤、角膜炎、角膜移植等患者均可能发展出高阶像差,这一群体人数近百万。

  “普通的角膜表面光滑凸起,而他们的角膜坑坑洼洼,出现了很多不规则的凹陷。”在同仁医院,宋红欣在纸上画出了严重高阶像差的角膜形状——一段弧形曲线,中央部分呈现出了波浪状的线条,像是原本光滑的温泉蛋一侧被挖出了光滑的小锯齿。

  视力正常的情况下,外界的光线穿过角膜,在人类的视网膜上成像,形成准确的画面信号。普通的近视人群因晶状体变形,光线聚集在视网膜前,需要通过眼镜进行调整,将成像点后移,保持视力清晰。而一旦出现严重高阶像差,意味着光线在通过坑洼的角膜时,从各个不同角度被折射、在晶状体中形成了混乱光轨,哪怕架上一副镜片,也无法改变其在眼球内的失序。这也是为什么普通眼镜无法拯救其视力的原因。

  如果3D打印的自由曲面眼镜成为现实,镜片就可以与角膜“同调”,通过调整不同的光线折射方向,让其在眼内有序成像。

  宋红欣表示,传统制镜工艺未必不能做到这一点,但在个性化需求面前市场化变得不现实。每位患者角膜形状不同,镜片的曲面也不同,意味着每一片镜片都要单独模型、单独流水线制作,产品将是天价。3D打印的优势,正在无需额外成本就能实现精细制作。

  3D打印已涉足多个医疗领域

  3D打印的优势在医学领域被认为有广泛前景。早在9年前,我国就有医疗机构尝试涉足这一领域。

聚焦3D打印眼镜:可根据个体角膜形状“量身定制”

7月30日,同仁医院,宋红欣在检查3D打印的镜片。

  2009年10月,北医三院骨科的两位专家在出国学术交流中见到了3D打印设备,意识到这种打印材料或能解决人工关节一直以来存在的问题。

  其中一位骨科专家蔡宏解释,人体骨骼结构天然存在很多孔隙,如果金属表面能仿照其拥有微小且完全连通的孔隙,人的骨头就能长入孔隙中,让植入物更牢固。但传统人工关节通过模具铸造生产,很难在金属表面再实现一层精确的微小孔隙涂层。相比之下,3D打印是电脑建模,通过粉末冶金方式制造,能更灵活地设计生产带精密孔隙结构的人工关节。

  那年起,北医三院着手进行脊柱外科的3D打印植入物研究。2015年7月,该院研发出的我国首个3D打印人体植入物获CFDA注册批准,让3D打印髋关节进入“量产”时代。次年,3D打印椎体假体、椎间融合器获得CFDA注册批准,使我国在3D打印骨外科领域处于国际领先地位。

  这只是3D打印在医疗领域的应用案例之一。

  去年9月,北京大学口腔医院牵头的重点项目3D打印种植牙完成动物实验,进入临床试验阶段。该技术一旦广泛应用,将省去用骨材料填补骨与植入体之间的空隙这一步骤,降低手术难度,让更多患者能够受益。

  在国外,研究人员开发出了可以随着儿童的成长而自我调节的3D打印心脏支架,避免了在成长过程中需要二次手术更换植入物的需要。对人造心脏等人体器官的3D打印研究,也一直备受关注。

  技术难题和成果转化问题待解

  前景光明,道路坎坷。3D打印在临床上的落地仍面临不少技术难题。从坚硬的骨骼到柔软复杂的人体内脏,人们希望3D打印能带来更多治疗突破,然而,现有的3D打印心脏售价昂贵,只能跳动半个小时,3D打印韧带、肌腱、软骨组织等仍停留在形似阶段,功能性还无法实现。

  在光学领域,3D打印面临的是一片处女地。

  “3D打印的核心之一在于材料,我们现在仍在寻找合适的光学材料。”宋红欣介绍,他们已经初步实现了自由曲面镜片的高精度制造,加工成本较传统方法降低10倍以上。但由于经验不足,材料上的难点仍待突破,他们现在使用的光敏材料在固化中会发生形变,影响折射效果。

  此外,他期待在成果转化过程中,能获得更多法律、市场等专业领域的支持。

  记者了解到,近年来,科技成果转化日益受到重视。2016年4月,国务院发布《关于印发促进科技成果转移转化行动方案》;同年9月,原国家卫生计生委公布《关于加强卫生与健康科技成果转移转化工作的指导意见》,提出科技成果转移转化是卫生与健康科技创新的重要内容,对推进“健康中国”建设具有重要意义。