內窺鏡屬於微創醫療器械，就像醫生的「眼睛」能夠有效地幫助醫生「看清「病灶。微創手術的普及與臨床診斷需求推動內窺鏡進入快速發展時期。據Markets and Markets報告顯示，2019年全球內窺鏡的市場容量約為256億美金，將以6.6%的複合年增長率增長，到2024年將達到352億美金。根據中國醫療器械行業協會數據，2018年，我國內窺鏡市場容量達到278億元，內窺鏡配套器械市場規模更大，達500億元。[1]
內窺鏡是一類精密的光學儀器，不論是硬鏡和軟鏡，它們的生產工藝都需要選擇特有的密封技術來實現，不論是內窺鏡中鏡片之間、鏡片和外管之間、金屬材料之間都需要非常高的固定和密封要求。而隨著小型化內窺鏡的出現，對於內窺鏡廠家製造工藝的考驗是「更上一層樓」。[1]
對3D列印技術而言，顯著的優勢是比傳統工藝更易於駕馭產品的複雜性。面對小型化的複雜內窺鏡組件製造需求，3D列印有哪些可能的應用切入點？本期，3D科學谷與谷友一起通過國內外科研機構、內窺鏡製造商、3D列印企業所開展的應用探索，來感受其中蘊含的潛能。
成就小而複雜的組件
「最小」內窺鏡
在不引起組織創傷的情況下，小型內窺鏡探頭是對小腔或脆弱器官進行成像時所必需的設備。但當前的製造方法限制了高度小型化的探針成像性能，從而限制了小型內窺鏡探頭的廣泛應用。
澳大利亞阿德萊德大學醫學院、光學先進傳感研究所和德國斯圖加特大學應用光學研究所（ITO）和SCoPE研究中心的研究人員，通過雙光子光刻微型3D列印技術開發了一種新型超薄探針裝置，在單模光纖上（比人類髮絲還細）直接創建側面自由形微光學器件。研究人員稱，這是迄今報導的最小自由形式三維成像探頭，帶有保護性塑料外殼的整個內窺鏡直徑為0.457毫米。[2]
3D列印內窺鏡設計，b：無芯光纖尖端上的3D列印離軸自由形式全內反射（TIR）反射鏡的顯微鏡圖像，該光纖被熔接在導光單模光纖上。來源：nature.com
當前的探針製造技術在製造高度小型化探針時存在球面像差、低解析度或淺焦深的問題。在光學設計中，需要權衡高解析度（大數值孔徑，NA），從而導致光束髮散迅速，聚焦深度較小，而解析度差（NA較小），無法實現較大的聚焦深度 。在光學相干斷層掃描成像中，因為內窺鏡和血管內探針部署在透明的導管鞘內，既保護動物或患者在探針旋轉進行掃描時免受創傷，又防止在多個動物之間重複使用時的交叉汙染。
在光學上，這種透明鞘相當於負柱面透鏡，並引起散光。散光增加了小型化探針的橫向解析度的衰減。因此，對這些非色差的校正對於用微型探頭在所希望的聚焦深度上獲得儘可能好的解析度是至關重要的，而當前的微光學製造方法缺乏減輕這些非色差的能力。研究人員開發了一種超薄單片光學相干斷層掃描內窺鏡，通過使用雙光子聚合3D列印技術將125微米直徑的微光學器件直接印刷到光纖上，克服了這些限制。
在研發過程中，研究人員將一根450微米長度的無芯光纖拼接到一根20釐米長的單模光纖上，在光束到達3D列印自由曲面微光學器件之前對其進行擴展。為了實現這一段無芯光纖的拼接，他們首先將一段較長的無芯光纖拼接到單模光纖上，然後使用自動玻璃處理器和直列式切割刀將其切割到450±5微米。雙光子光刻3D列印技術起到的作用是，將光束整形微光學器件直接列印到無芯光纖的遠端。
3D列印微光學器件的自由曲面通過全內反射改變光束的方向，並聚焦光束。光纖組件固定在外徑為0.36毫米的薄壁扭矩線圈內，扭矩線圈允許旋轉和線性運動從成像探頭的近端精確地傳遞到遠端，從而實現3D掃描。3D列印的微型成像探頭在導管鞘內自由旋轉，導管鞘保持靜止，並在3D掃描期間保護生物體組織。[3]
促進內窺鏡細微化
深圳開立生物醫療科技股份有限公司自2002年成立以來一直致力於醫療設備的研發和製造，產品涵蓋超聲診斷系統、電子內鏡系統和體外診斷系列三大產品線。開立醫療推出的HD550系列高清內窺鏡產品，產品性能與外資差距逐漸縮小，在醫院端獲得良好反饋。填補了國產高清內窺鏡的空白，有望更進一步加快國產高端內窺鏡產品發展。開立醫療重視技術創新，其中也包括通過3D列印技術進行產品設計創新。
開立醫療其中一款內鏡產品。來源：開立醫療
根據3D科學谷的市場研究，開立醫療研發了一種可在一定程度上減小外形尺寸的內窺鏡頭端部，使內窺鏡頭端部進一步微細化，從而解決內窺鏡頭端部尺寸大的技術問題。
內窺鏡頭端部包括頭端座、成像模組和圖像傳感模組。圖像傳感器模組由傳感器晶片組件和電子元器件構成。傳感器晶片組件和所述電子元器件通過立體封裝的方式封裝為一體。這種內窺鏡頭端座上設置有安裝孔，成像模組正式設置在安裝孔內，而圖像傳感模組對應安裝孔連接在頭端座的後端。
在這一內窺鏡頭端部組建的應用中，3D列印技術的作用是對晶片組件進行立體封裝。立體封裝結構具有內部流道介質，用於電信號的傳輸，滿足高密度、高性能、低成本的要求，並克服了現有技術中存在的互連金線長、空間利用率小、工藝要求高或成本高的缺點。在開立醫療開展的工作中，傳感器晶片組件和電子元器件採用了立體封裝，取消了外部連接結構，形成立體式電路連接結構，解決了二維電子元器件需要足夠的面板空間以設置所需電子元器件的問題。並且不需要在傳感器晶片組件外沿周圍設置保護邊沿，從而能夠消除T型結構中電子元器件對空間的佔用。
這種立體封裝帶來的優勢是，可相應地減小圖像傳感模組的整體外部尺寸，從而進一步減小內窺鏡頭端部的外形尺寸，使得內窺鏡的微細化成為可能，繼而有效改善受測者的臨床體驗。
複雜微型一體化組件
開立醫療在3D列印領域的一家戰略合作夥伴為摩方材料。在精密醫療內窺鏡製造領域，內窺鏡的結構越來越趨向體積微型化，鏡體的直徑小到1毫米以內，傳統的加工方式很難達到如此高要求。精細複雜的結構設計，導致傳統工藝的高昂的研發和加工成本，生產過程中常面臨諸多棘手難題。而摩方材料的微納3D列印技術能夠實現複雜部件的一體成型生產。