Nyt medicinsk udstyr og nye medicinske instrumenter
3D-printing er næsten blevet et synonym for hurtig prototypefremstilling. Brugervenligheden og de lave omkostninger ved intern 3D-printing har også revolutioneret produktudviklingen, og mange producenter af medicinsk værktøj har taget teknologien til sig for at producere helt nyt medicinsk udstyr og kirurgiske instrumenter.
Over 90 procent af de 50 største virksomheder inden for medicinsk udstyr bruger 3D-printing til at skabe nøjagtige prototyper af medicinsk udstyr samt jigs og fixturer for at forenkle testning.
Med Alex Drews ord, der er mekanisk projektingeniør hos DJO Surgical, en global leverandør af medicinsk udstyr. “Før DJO Surgical bragte den om bord, var vi næsten udelukkende afhængige af eksterne printleverandører til prototyper. I dag kører vi med fire Formlabs-maskiner, og det har haft stor betydning for os. Vores hastighed for 3D-print er fordoblet, omkostningerne er blevet reduceret med 70 procent, og detaljeringsgraden af printet giver mulighed for klar kommunikation af designs med ortopædkirurgiske kirurger.”
Firmaer inden for medicinsk udstyr som Coalesce bruger 3D-print til at skabe nøjagtige prototyper af medicinsk udstyr.
3D-print kan fremskynde designprocessen ved at iterere komplekse designs på dage i stedet for uger. Da Coalesce fik til opgave at skabe et inhalationsapparat, der digitalt kan vurdere en astmapatients inspiratoriske flowprofil, ville outsourcing til tjenesteudbydere have resulteret i lange leveringstider for hver prototype. Designfilerne skulle omhyggeligt forfines gennem forskellige iterationer, inden de blev sendt ud på stedet for at blive bygget.
I stedet gjorde desktop SLA 3D-printing det muligt for Coalesce at holde hele prototypefremstillingsprocessen in-house. Prototyperne var egnede til brug i kliniske undersøgelser og lignede det færdige produkt på en prik. Faktisk forvekslede deres kunder prototypen med det endelige produkt, da de fremviste apparatet.
Overordnet set repræsenterede in-house en enorm reduktion på 80-90 % af gennemløbstiden for prototyper. Desuden tog det kun otte timer at printe delene, og de kunne færdiggøres og males inden for få dage, mens den samme proces ville have taget en uge eller to gennem en ekstern leverandør.
Affordable proteser
Hvert år mister hundredtusindvis af mennesker et lem, men kun en delmængde af dem får adgang til en protese for at genvinde dens funktion.
Enkle proteser fås kun i få størrelser, så patienterne må nøjes med det, der passer bedst, mens skræddersyede bioniske anordninger, der er designet til at efterligne bevægelser og greb fra rigtige lemmer, som er afhængige af musklerne i en persons resterende lem til at styre deres funktioner, er så dyre, at de kun er tilgængelige for patienter med den bedste sygesikring i de udviklede lande. Dette gælder især proteser til børn. Efterhånden som børn vokser og kommer ud i eventyr, vokser de uundgåeligt ud af deres proteser og kræver dyre reparationer.
Det vanskelige er manglen på fremstillingsprocesser, der kan producere specialfremstillede dele til en overkommelig pris. Men i stigende grad kan proteselæger drage fordel af 3D-printingens meget omtalte designfrihed for at mindske disse høje økonomiske barrierer for behandling.
Initiativer som e-NABLE gør det muligt for hele samfund rundt om i verden at danne sig omkring 3D-printede proteser. De driver en uafhængig bevægelse inden for proteserproduktion ved at dele oplysninger og open source-designs frit online, så patienterne kan få en specialdesignet protese, der er veltilpasset til dem, for så lidt som 50 dollars.
Andre opfindere som Lyman Connor tager dette et skridt videre. Med kun et lille anlæg bestående af fire desktop 3D-printere var Lyman i stand til at færdiggøre og tilpasse sine første produktionsproteser. Hans ultimative mål? At skabe en tilpasselig, fuldt bionisk hånd, der kan sælges til en brøkdel af den nuværende detailpris på titusindvis af dollars for sådanne avancerede proteser.
Et andet sted har forskere ved MIT også identificeret 3D-printing som et optimalt middel til at fremstille mere komfortable protesesokler.
Nødvendigt at sige, at de lave omkostninger ved at fremstille disse proteser sammen med den frihed, der følger med brugerdefinerede designs, har vist sig at være åbenbarende. Proteser fremstillet ved hjælp af 3D-printning kan fremstilles på kun to uger og kan derefter afprøves og vedligeholdes til en langt lavere pris end deres traditionelle modstykker.
I takt med at omkostningerne fortsat falder, og materialeegenskaberne forbedres, vil 3D-printning utvivlsomt spille en stadig større rolle i denne afdeling af sundhedsvæsenet.
Korrigerende indlægssåler og ortoser
Mange af de samme høje økonomiske barrierer for behandling, som ses i proteser, er også indfødte på områder som ortoser og indlægssåler. Ligesom mange andre patientspecifikke medicinske anordninger er specialfremstillede ortoser ofte utilgængelige på grund af deres høje omkostninger og tager uger eller måneder at få fremstillet. Med 3D-printing behøver det ikke længere at være tilfældet.
Eksemplet med Matej og hans søn Nik springer os i øjnene. Han blev født for tidligt i 2011, og vanskeligheder under fødslen gjorde, at Nik fik cerebral parese, en tilstand, der rammer næsten 20 millioner mennesker på verdensplan. Matej blev inspireret af sin søns urokkelige vilje til at overvinde de begrænsninger, som hans tilstand medfører, men han stod over for valget mellem en standard, færdiglavet ortose, som ville have været utilstrækkelig og ubehagelig for hans søn, eller en dyr specialfremstillet løsning, som det ville tage uger eller måneder at få leveret, for derefter hurtigt at blive forældet af et voksende barn.
Han besluttede at tage sagen i egen hånd og søgte efter nye løsninger for at nå dette mål. Med den frihed, som digitale teknologier, herunder 3D-scanning og 3D-printning, giver, kunne Matej og Niks fysioterapeuter eksperimentere frit og udvikle en helt ny innovativ arbejdsgang for ankel- og fodortoser (AFO’er).
Den resulterende specialfremstillede, 3D-printede ortose gav Nik støtte, komfort og korrektion præcis der, hvor der var behov for det, og hjalp Nik til endelig at tage sine første selvstændige skridt. Denne specialfremstillede ortose gentog den meget justerede finish af high-end ortoser til en brøkdel af prisen, og uden at der var behov for yderligere justeringer.
Professionelle over hele verden bruger 3D-print til at genopfinde patient- og kundespecifikke indlægssåler og ortoser samt en række andre værktøjer til at forbedre fysioterapi. Tidligere har forløbet af fysioterapi ved hjælp af tilpassede værktøjer vist sig at være vanskeligt. Patienterne stod ofte over for lange ventetider og færdige stykker, der førte til ubehag. 3D-print er på vej til at ændre dette status quo. 3D-printede indlægssåler og ortoser har vist sig at have en bedre pasform, ført til bedre terapeutiske resultater og givet en højere grad af komfort og brug for patienterne.
Bioprinting, Tissue Engineering, 3D-printede organer og videre
De konventionelle metoder til behandling af patienter med alvorlige organsvigt indebærer i øjeblikket brug af autografts, en transplantation af væv fra et sted til et andet i samme persons krop, eller organtransplantationer fra en donor. Forskere inden for bioprinting og vævsmanipulation håber snart at kunne ændre dette og være i stand til at skabe væv, blodkar og organer efter behov.
3D-bioprinting henviser til brugen af additive fremstillingsprocesser til at deponere materialer, der er kendt som bioinks, for at skabe vævslignende strukturer, der kan bruges på medicinske områder. Vævsmanipulation henviser til de forskellige teknologier under udvikling, herunder bioprinting, til at dyrke erstatningsvæv og -organer i laboratoriet til brug ved behandling af skader og sygdomme.
Med hjælp af 3D-printning med høj præcision har forskere som Dr. Sam Pashneh-Tala fra University of Sheffield skabt nye muligheder inden for vævsteknik.
For at styre cellevæksten, så det ønskede væv dannes, dyrker Dr. Pashneh-Tala levende celler på et stillads i laboratoriet, som giver en skabelon med den ønskede form, størrelse og geometri. Der er f.eks. behov for en rørformet struktur for at skabe et blodkar til en hjerte-kar-patient. Cellerne vil formere sig og dække stilladset og tage dets form. Stilladset nedbrydes derefter gradvist og efterlader de levende celler arrangeret i form af målvævet, som dyrkes i en bioreaktor, et kammer, der indeholder det væv, der er under udvikling, og som kan reproducere kroppens indre miljø for at opnå mekanisk og biologisk ydeevne af organisk væv.
Et 3D-printet bioreaktorkammer med en vævsfremstillet miniature aorta, der vokser indeni. Vævet dyrkes i bioreaktoren for at opnå organisk vævs mekaniske og biologiske ydeevne.
Dette vil sætte forskerne i stand til at skabe patientspecifikke vaskulære transplantatdesigns, forbedrede kirurgiske muligheder og giver en unik testplatform for nyt vaskulært medicinsk udstyr til dem, der lider af hjerte-kar-sygdomme, som i øjeblikket er den hyppigste dødsårsag på verdensplan. Herefter er det endelige mål at skabe blodkar, der er klar til at blive implanteret i patienterne. Da vævsteknologi anvender celler, der er taget fra den patient, der har brug for behandlingen, eliminerer det muligheden for afstødning fra immunsystemet – et stort problem ved konventionelle organtransplantationer i dag.
3D-printning har vist sig at være i stand til at imødegå udfordringerne ved at fremstille syntetiske blodkar ved at løse problemerne med at genskabe de præcise former, størrelser og geometrier af det krævede kar. Det har vist sig at være en åbenbaring, at det er muligt at tilpasse de trykte løsninger nøje til patienternes specifikke behov.
Med Dr. Pashneh-Tala’s ord: ” giver mulighed for forbedrede kirurgiske muligheder og endda patienttilpassede blodkarkonstruktioner. Uden adgang til 3D-printning med høj præcision til en overkommelig pris ville det ikke være muligt at skabe disse former.”
Vi har set spændende gennembrud inden for biologiske materialer, der er egnede til brug i 3D-printere. Forskere er ved at udvikle nye hydrogelmaterialer, der har samme konsistens som organvæv, der findes i den menneskelige hjerne og lunger, og som kan være kompatible med forskellige 3D-printprocesser. Forskerne håber at kunne implantere dem i et organ, så de kan fungere som “stillads”, hvorpå cellerne tilskyndes til at vokse.
Mens bioprinting af fuldt funktionelle indre organer som hjerter, nyrer og lever stadig lyder futuristisk, sker fremskridtene med hybride 3D-printingteknikker i et meget hurtigt tempo.
Snart eller senere forventes det, at opbygning af biologisk materiale i laboratorieprintere vil føre til muligheden for at generere nye, fuldt funktionelle 3D-printede organer. I april 2019 skabte forskere det første 3D-hjerte ved hjælp af en patients biologiske materialer på Tel Aviv University i april 2019. Den lille kopi blev skabt ved hjælp af patientens egne biologiske materialer, hvilket skabte en fuldstændig overensstemmelse med patientens immunologiske, cellulære, biokemiske og anatomiske profil.
“På dette stadium er vores 3D-hjerte lille, på størrelse med et kaninhjerte, men større menneskehjerter kræver den samme teknologi”, sagde professor Tal Dvir.
Det første 3D-bioprintede hjerte, skabt på universitetet i Tel Aviv.
Hvad er det næste for medicinsk 3D-printning?
Præcise og overkommelige 3D-printprocesser som desktop-stereolitografi demokratiserer adgangen til teknologien, giver sundhedspersonale mulighed for at udvikle nye kliniske løsninger og hurtigt fremstille specialfremstillet udstyr og giver læger mulighed for at levere nye behandlinger over hele verden.
Da 3D-printteknologier og -materialer fortsat forbedres, vil de bane vejen for personlig pleje og medicinske anvendelser med stor effekt.
Få mere at vide om 3D-print i sundhedssektoren