New Medical Devices and Instruments
3D tisk se stal prakticky synonymem pro rychlé prototypování. Snadné použití a nízké náklady na vlastní 3D tisk také způsobily revoluci ve vývoji produktů a mnoho výrobců lékařských nástrojů si tuto technologii osvojilo k výrobě zcela nových lékařských přístrojů a chirurgických nástrojů.
Více než 90 % z 50 největších společností vyrábějících lékařské přístroje používá 3D tisk k vytváření přesných prototypů lékařských přístrojů a také přípravků a přípravků pro zjednodušení testování.
Slovy Alexe Drewa, mechanického projektového inženýra ve společnosti DJO Surgical, globálního dodavatele lékařských přístrojů. „Než se společnost DJO Surgical zapojila do projektu, spoléhali jsme se při výrobě prototypů téměř výhradně na externí dodavatele tisku. Dnes provozujeme čtyři stroje Formlabs a dopad byl obrovský. Naše rychlost 3D tisku se zdvojnásobila, náklady se snížily o 70 % a úroveň detailů tisku umožňuje jasnou komunikaci návrhů s ortopedickými chirurgy.“
Společnosti vyrábějící zdravotnické prostředky, jako je Coalesce, využívají 3D tisk k vytváření přesných prototypů zdravotnických prostředků.
3D tisk může urychlit proces navrhování tím, že iterace složitých návrhů trvá dny místo týdnů. Když byla společnost Coalesce pověřena vytvořením inhalátoru, který dokáže digitálně vyhodnotit profil vdechového proudu pacienta s astmatem, zadání zakázky poskytovatelům služeb by vedlo k dlouhým dodacím lhůtám každého prototypu. Návrhové soubory by se musely pečlivě zdokonalovat v různých iteracích, než by byly odeslány k výrobě mimo firmu.
Na místo toho umožnil stolní 3D tisk SLA společnosti Coalesce udržet celý proces výroby prototypů ve vlastní režii. Prototypy byly vhodné pro použití v klinických studiích a vypadaly stejně jako hotový výrobek. Ve skutečnosti, když předváděli zařízení, jejich klienti si pletli prototyp s finálním výrobkem.
Celkově in-house představoval obrovské 80-90% zkrácení doby přípravy prototypů. Navíc tisk dílů trval pouhých osm hodin a během několika dnů mohly být dokončeny a nalakovány, zatímco stejný proces by prostřednictvím externího dodavatele trval týden nebo dva.
Dostupné protézy
Každý rok přijdou o končetinu statisíce lidí, ale jen část z nich získá přístup k protéze, která obnoví její funkci.
Jednoduché protézy jsou k dispozici pouze v několika velikostech, takže se pacienti musí spokojit s tím, co jim nejlépe padne, zatímco bionické pomůcky na míru, které mají napodobovat pohyby a úchopy skutečných končetin a při ovládání jejich funkcí se spoléhají na svaly ve zbytkové končetině, jsou tak drahé, že jsou dostupné pouze pacientům s nejlepším zdravotním pojištěním ve vyspělých zemích. To se týká zejména protéz pro děti. Jak děti rostou a dostávají se do dobrodružství, nevyhnutelně své protézy přerůstají a vyžadují nákladné opravy.
Problémem je nedostatek výrobních postupů, které by dokázaly cenově výhodně vyrábět zakázkové díly. Stále častěji však mohou protetici využívat tolik zmiňovanou volnost designu 3D tisku, aby tyto vysoké finanční překážky léčby zmírnili.
Iniciativy, jako je e-NABLE, umožňují, aby se kolem 3D tištěných protéz formovaly celé komunity po celém světě. Podporují nezávislé hnutí ve výrobě protéz tím, že sdílejí informace a návrhy s otevřeným zdrojovým kódem volně online, takže pacienti mohou získat protézu navrženou na míru, která je pro ně dobře přizpůsobená, za pouhých 50 dolarů.
Další vynálezci, jako například Lyman Connor, jdou ještě o krok dál. Pouze s malým zařízením se čtyřmi stolními 3D tiskárnami byl Lyman schopen dokončit a namontovat své první výrobní protézy. Jeho konečný cíl? Vytvořit přizpůsobitelnou, plně bionickou ruku, která by se prodávala za zlomek současné maloobchodní ceny takových pokročilých protéz v řádu desítek tisíc dolarů.
Nikde jinde výzkumníci z MIT také označili 3D tisk za optimální prostředek k výrobě pohodlnějších protézových pouzder.
Není třeba dodávat, že nízké náklady na výrobu těchto protéz spolu se svobodou, kterou přinášejí vlastní návrhy, se ukázaly jako objevné. Protézy vyrobené pomocí 3D tisku mohou být hotové již za dva týdny a poté mohou být zkoušeny a udržovány s mnohem nižšími náklady než jejich tradiční protézy.
S dalším snižováním nákladů a zlepšováním vlastností materiálů bude 3D tisk nepochybně hrát v tomto odvětví zdravotní péče stále větší roli.
Korektivní vložky a ortézy
Mnohé ze stejně vysokých finančních bariér léčby, které se objevují v protetice, jsou vlastní i oborům, jako jsou ortézy a vložky. Stejně jako mnoho jiných zdravotnických prostředků určených pro pacienty jsou i ortézy na míru často nedostupné kvůli vysoké ceně a jejich výroba trvá týdny nebo měsíce. Díky 3D tisku tomu tak již být nemusí.
Na mysli nám vytane příklad Matěje a jeho syna Nika. Narodil se předčasně v roce 2011 a potíže při porodu způsobily Nikovi dětskou mozkovou obrnu, která postihuje téměř dvacet milionů lidí na celém světě. Matěje inspirovala neochvějná vůle jeho syna překonat omezení vyplývající z jeho zdravotního stavu, ale stál před volbou mezi standardní, předem vyrobenou ortézou, která by byla pro jeho syna nedostatečná a nepohodlná, nebo drahým řešením na míru, jehož dodání by trvalo týdny či měsíce, jen aby rychle zastaralo kvůli rostoucímu dítěti.
Rozhodl se vzít věci do svých rukou a hledal nová řešení, jak tohoto cíle dosáhnout. Díky svobodě, kterou nabízejí digitální technologie včetně 3D skenování a 3D tisku, mohli Matěj a Nikovi fyzioterapeuti volně experimentovat a vyvinout zcela nový inovativní pracovní postup pro ortézy kotníkové nohy (AFO).
Výsledná ortéza vyrobená na zakázku a vytištěná na 3D tiskárně poskytla Nikovi oporu, pohodlí a korekci přesně tam, kde to bylo potřeba, a pomohla mu tak konečně udělat první samostatné kroky. Tato zakázková ortotická pomůcka zopakovala vysoce přizpůsobivou povrchovou úpravu špičkových ortéz, a to za zlomek ceny a bez nutnosti dalších úprav.
Profesionálové po celém světě využívají 3D tisk k vynalézání vložek a ortéz specifických pro pacienty a zákazníky, stejně jako řady dalších nástrojů pro zlepšení fyzikální terapie. V minulosti se průběh fyzioterapie pomocí nástrojů na míru ukázal jako obtížný. Pacienti se často potýkali s dlouhými čekacími dobami a hotovými kusy, které vedly k nepohodlí. 3D tisk je na cestě tento status quo změnit. Ukázalo se, že 3D tištěné vložky a ortézy lépe padnou, vedou k lepším terapeutickým výsledkům a poskytují pacientům větší míru pohodlí a používání.
Biotisk, tkáňové inženýrství, 3D tištěné orgány a další
Konvenční způsoby léčby pacientů s vážným selháním orgánů v současnosti zahrnují použití autotransplantátů, tedy transplantace tkáně z jednoho místa těla téhož jedince na jiné, nebo transplantace orgánů od dárce. Výzkumníci v oblasti bioprintingu a tkáňového inženýrství doufají, že to brzy změní a budou schopni vytvářet tkáně, cévy a orgány na požádání.
3D bioprinting označuje použití aditivních výrobních procesů k nanášení materiálů známých jako bioinks za účelem vytvoření struktur podobných tkáním, které lze použít v lékařských oborech. Tkáňové inženýrství označuje různé rozvíjející se technologie, včetně bioprintingu, k pěstování náhradních tkání a orgánů v laboratoři pro použití při léčbě zranění a nemocí.
Pomocí vysoce přesného 3D tisku přinesli výzkumníci jako Dr. Sam Pashneh-Tala z University of Sheffield nové možnosti tkáňového inženýrství.
Pro usměrnění buněčného růstu tak, aby vznikla požadovaná tkáň, pěstuje Dr. Pashneh-Tala v laboratoři živé buňky na lešení, které poskytuje šablonu požadovaného tvaru, velikosti a geometrie. Například k vytvoření cévy pro pacienta s kardiovaskulárním onemocněním je zapotřebí trubicovitá struktura. Buňky se namnoží a pokryjí scaffold, čímž získají jeho tvar. Scaffold se pak postupně rozpadá a zanechává živé buňky uspořádané do tvaru cílové tkáně, která je kultivována v bioreaktoru, komoře, která obsahuje vyvíjející se tkáň a může reprodukovat vnitřní prostředí těla, aby získala mechanické a biologické vlastnosti organické tkáně.
Komora bioreaktoru vytištěná 3D tiskem, v níž roste miniaturní aorta vytvořená tkáňovým inženýrstvím. Tkáň je kultivována v bioreaktoru, aby získala mechanické a biologické vlastnosti organické tkáně.
To umožní vědcům vytvářet návrhy cévních štěpů specifických pro pacienty, lepší možnosti chirurgických zákroků a poskytne jedinečnou platformu pro testování nových cévních zdravotnických prostředků pro osoby trpící kardiovaskulárními chorobami, které jsou v současnosti celosvětově nejčastější příčinou úmrtí. V návaznosti na to je konečným cílem vytvořit cévy, které budou připraveny k implantaci pacientům. Vzhledem k tomu, že tkáňové inženýrství využívá buňky, které jsou odebrány pacientovi vyžadujícímu léčbu, eliminuje možnost odmítnutí imunitním systémem – což je dnes hlavní problém při běžných postupech transplantace orgánů.
3D tisk se ukázal jako schopný reagovat na výzvy spojené s výrobou syntetických krevních cév tím, že řeší obtíže spojené s rekonstrukcí přesných tvarů, velikostí a geometrie požadované cévy. Schopnost přesně přizpůsobit vytištěná řešení specifickým potřebám pacientů se ukázala jako objevná.
Slovy Dr. Pashneh-Tala: “ nabízí potenciál pro lepší možnosti chirurgických zákroků a dokonce i návrhy cév přizpůsobené pacientům. Bez přístupu k vysoce přesnému a cenově dostupnému 3D tisku by vytvoření těchto tvarů nebylo možné.“
Jsme svědky vzrušujícího průlomu v oblasti biologických materiálů vhodných pro použití v 3D tiskárnách. Vědci vyvíjejí nové hydrogelové materiály, které mají stejnou konzistenci jako orgánové tkáně, jež se nacházejí v lidském mozku a plicích, a mohou být kompatibilní s různými procesy 3D tisku. Vědci doufají, že je budou moci implantovat do orgánu, aby fungovaly jako „lešení“, na kterém by byly buňky podporovány k růstu.
Ačkoli biotisk plně funkčních vnitřních orgánů, jako jsou srdce, ledviny a játra, stále zní futuristicky, pokroky s hybridními technikami 3D tisku probíhají velmi rychle.
Očekává se, že dříve či později povede budování biologické hmoty v laboratorních tiskárnách ke schopnosti vytvářet nové, plně funkční orgány vytištěné 3D tiskem. V dubnu 2019 vytvořili vědci na univerzitě v Tel Avivu první 3D srdce z biologického materiálu pacienta. Malá replika byla vytvořena s použitím biologických materiálů pacienta, čímž vznikla úplná shoda imunologického, buněčného, biochemického a anatomického profilu pacienta.
„V této fázi je naše 3D srdce malé, velikosti králičího srdce, ale větší lidská srdce vyžadují stejnou technologii,“ řekl profesor Tal Dvir.
První 3D bioprintované srdce, vytvořené na univerzitě v Tel Avivu.
Co bude dál s 3D tiskem v medicíně?“
Přesné a cenově dostupné procesy 3D tisku, jako je stolní stereolitografie, demokratizují přístup k této technologii, umožňují zdravotníkům vyvíjet nová klinická řešení a rychle vyrábět zařízení na míru a lékařům poskytovat nové léčebné postupy po celém světě.
Jak se budou technologie 3D tisku a materiály dále zdokonalovat, budou dláždit cestu personalizované péči a vysoce účinným lékařským aplikacím.
Zjistěte více o 3D tisku ve zdravotnictví.