Uudet lääketieteelliset laitteet ja välineet
3D-tulostuksesta on tullut käytännössä nopean prototyyppien valmistuksen synonyymi. Sisäisen 3D-tulostuksen helppokäyttöisyys ja alhaiset kustannukset ovat mullistaneet myös tuotekehityksen, ja monet lääkinnällisten välineiden valmistajat ovat ottaneet teknologian käyttöön tuottaakseen upouusia lääkinnällisiä laitteita ja kirurgisia instrumentteja.
Yli 90 prosenttia 50:stä suurimmasta lääkinnällisiä laitteita valmistavasta yrityksestä käyttää 3D-tulostusta luodakseen tarkkoja prototyyppejä lääkinnällisistä laitteista sekä testausta helpottavia jigpejä ja kiinnikkeitä.
Mekaanisen projekti-insinöörin Alex Drew’n sanoin, joka on maailmanlaajuisen lääkinnällisten laitteiden toimittajan DJO Surgicalin mekaaninen projekti-insinööri. ”Ennen kuin DJO Surgical otti DJO:n mukaan, turvauduimme prototyyppien valmistuksessa lähes yksinomaan ulkopuolisiin tulostustoimittajiin. Nykyään käytössämme on neljä Formlabsin konetta, ja vaikutus on ollut valtava. 3D-tulostusnopeutemme on kaksinkertaistunut, kustannukset ovat pienentyneet 70 prosenttia, ja tulostuksen yksityiskohtaisuus mahdollistaa selkeän kommunikoinnin malleista ortopedisten kirurgien kanssa.”
Lääketieteellisiä laitteita valmistavat yritykset, kuten Coalesce, käyttävät 3D-tulostusta tarkkojen prototyyppien luomiseen lääkinnällisistä laitteista.
3D-tulostuksella voidaan nopeuttaa suunnitteluprosessia, sillä monimutkaisia malleja voidaan iteroida muutamissa päivissä viikkojen sijaan. Kun Coalescelle annettiin tehtäväksi luoda inhalaattorilaite, jolla voidaan digitaalisesti arvioida astmapotilaan sisäänhengitysvirtausprofiilia, ulkoistaminen palveluntarjoajille olisi johtanut pitkiin toimitusaikoihin kunkin prototyypin osalta. Suunnittelutiedostoja olisi pitänyt vaivalloisesti hioa useiden iteraatioiden kautta, ennen kuin ne olisi lähetetty rakennettavaksi muualle.
Sen sijaan työpöydän SLA-3D-tulostuksen avulla Coalesce pystyi pitämään koko prototyyppiprosessin talon sisällä. Prototyypit soveltuivat käytettäväksi kliinisissä tutkimuksissa ja näyttivät aivan valmiilta tuotteelta. Itse asiassa, kun he esittelivät laitetta, heidän asiakkaansa luulivat prototyyppiä lopulliseksi tuotteeksi.
Kokonaisuudessaan talon sisäinen toiminta merkitsi valtavaa 80-90 prosentin lyhennystä prototyyppien läpimenoaikaan. Lisäksi osien tulostaminen kesti vain kahdeksan tuntia, ja ne voitiin viimeistellä ja maalata muutamassa päivässä, kun sama prosessi olisi kestänyt viikon tai kaksi ulkopuolisen urakoitsijan kautta.
Hinnaltaan kohtuuhintaiset proteesit
Joka vuosi sadattuhannet ihmiset menettävät raajansa, mutta vain osa heistä saa käyttöönsä proteesin, jolla sen toimintakyky palautetaan.
Yksinkertaisia proteeseja on saatavilla vain muutamaa kokoa, joten potilaiden on tyydyttävä siihen, mikä sopii parhaiten, kun taas räätälöidyt bioniset laitteet, jotka on suunniteltu jäljittelemään oikeiden raajojen liikkeitä ja otteita ja jotka tukeutuvat henkilön jäännösraajan lihaksiin niiden toimintojen hallitsemiseksi, ovat niin kalliita, että ne ovat kehittyneiden maiden potilaiden ulottuvilla vain parhaan sairausvakuutuksen omaavilla. Tämä koskee erityisesti lapsille tarkoitettuja proteeseja. Kun lapset kasvavat ja joutuvat seikkailuihin, he väistämättä kasvavat ulos proteesistaan ja tarvitsevat kalliita korjauksia.
Vaikeutena on sellaisten valmistusprosessien puute, joilla voidaan valmistaa räätälöityjä osia edullisesti. Protetistit voivat kuitenkin yhä useammin hyödyntää 3D-tulostuksen paljon mainostettua suunnittelun vapautta lieventääkseen näitä suuria taloudellisia hoitoesteitä.
E-NABLEn kaltaiset aloitteet mahdollistavat sen, että kokonaisia yhteisöjä ympäri maailmaa voi muodostua 3D-tulostettujen proteesien ympärille. Ne edistävät itsenäistä liikettä proteesien tuotannossa jakamalla tietoa ja avoimen lähdekoodin malleja vapaasti verkossa, jotta potilaat voivat saada räätälöidyn ja heille hyvin soveltuvan proteesin jopa 50 dollarilla.
Toiset keksijät, kuten Lyman Connor, menevät vielä askeleen pidemmälle. Lyman pystyi valmistamaan ja sovittamaan ensimmäiset tuotantoproteesinsa vain neljän pöytä-3D-tulostimen pienellä laitteistolla. Hänen lopullinen tavoitteensa? Luoda räätälöitävissä oleva täysin bioninen käsi, jota voitaisiin myydä murto-osalla nykyisistä kymmenien tuhansien dollarien vähittäismyyntihinnoista, joita tällaiset edistykselliset proteesit maksavat.
Muualla MIT:n tutkijat ovat myös tunnistaneet 3D-tulostuksen optimaaliseksi keinoksi tuottaa mukavampia proteesipesiä.
On sanomattakin selvää, että näiden proteesien valmistuksen alhaiset kustannukset sekä räätälöityjen mallien mukanaan tuoma vapaus ovat osoittautuneet käänteentekeviksi. 3D-tulostamalla valmistettuja proteeseja voidaan valmistaa jopa kahdessa viikossa, minkä jälkeen niitä voidaan kokeilla ja ylläpitää paljon edullisemmin kuin perinteisiä proteeseja.
Kustannusten edelleen laskiessa ja materiaaliominaisuuksien parantuessa 3D-tulostuksella on epäilemättä kasvava rooli tällä terveydenhuollon osa-alueella.
Korjaavat pohjalliset ja ortoosit
Monet samoista suurista taloudellisista hoidon esteistä, joita on nähty proteesien alalla, ovat syntyneet myös ortoosien ja pohjallisten kaltaisilla aloilla. Kuten monet muutkin potilaskohtaiset lääkinnälliset laitteet, räätälöidyt ortoosit ovat usein saavuttamattomissa niiden korkeiden kustannusten vuoksi, ja niiden valmistaminen kestää viikkoja tai kuukausia. 3D-tulostuksen ansiosta näin ei enää tarvitse olla.
Meille tulee mieleen Matejin ja hänen poikansa Nikin esimerkki. Vuonna 2011 ennenaikaisesti syntyneellä Nikillä oli synnytyksen aikana ilmenneiden vaikeuksien vuoksi aivohalvaus, joka on sairaus, josta kärsii lähes kaksikymmentä miljoonaa ihmistä maailmanlaajuisesti. Matej inspiroitui poikansa vankkumattomasta tahdosta ylittää sairauden asettamat rajoitukset, mutta hän joutui valitsemaan joko tavallisen, valmiiksi valmistetun ortoosin, joka olisi ollut hänen pojalleen riittämätön ja epämukava, tai kalliin räätälöidyn ratkaisun, jonka toimittaminen kestäisi viikkoja tai kuukausia ja jonka kasvava lapsi tekisi nopeasti tarpeettomaksi.
Matej päätti ottaa asian omiin käsiinsä ja etsi uusia ratkaisuja tämän tavoitteen saavuttamiseksi. Digitaalisten tekniikoiden, kuten 3D-skannauksen ja 3D-tulostuksen, tarjoaman vapauden ansiosta Matej ja Nikin fysioterapeutit pystyivät kokeilemaan vapaasti ja kehittämään täysin uuden innovatiivisen työnkulun nilkka-jalkateräortooseja (AFO) varten.
Tuloksena syntynyt mittatilaustyönä tehty, 3D-tulostettu ortoosi antoi Nikille tukea, mukavuutta ja korjausta juuri sinne, missä sitä tarvittiin, ja auttoi Nikkiä vihdoinkin ottamaan ensimmäisiä itsenäisiä askeliaan. Tämä räätälöity ortoosilaite toisti huippuluokan ortoosien pitkälle säädetyn viimeistelyn murto-osalla hinnasta, eikä lisäsäätöjä tarvittu.
Ammattilaiset ympäri maailmaa käyttävät 3D-tulostusta keksimään uudelleen potilas- ja asiakaskohtaisia pohjallisia ja ortooseja sekä erilaisia muita välineitä fysioterapian parantamiseksi. Aiemmin fysioterapian kulku räätälöityjen välineiden avulla oli osoittautunut vaikeaksi. Potilaat kohtasivat usein pitkiä odotusaikoja ja valmiita kappaleita, jotka aiheuttivat epämukavuutta. 3D-tulostus on matkalla muuttamaan tätä vallitsevaa tilannetta. 3D-tulostetut pohjalliset ja ortoosit ovat osoittautuneet paremmin istuviksi, johtaneet parempiin terapeuttisiin tuloksiin ja tarjonneet potilaille enemmän mukavuutta ja käyttömukavuutta.
Biotulostus, kudostekniikka, 3D-tulostetut elimet ja sen jälkeen
Vakiintuneisiin keinoihin hoitaa potilaita, joilla on vakavia elimellisiä vikoja, kuuluu tällä hetkellä käyttää autosiirtoja, eli kudoksen siirtoa yhdestä kohdasta toiseen saman yksilön elimistön osaan, tai elinten elinsiirtoja luovuttajalta. Bioprinttauksen ja kudostekniikan tutkijat toivovat, että tämä muuttuu pian ja että he pystyvät luomaan kudoksia, verisuonia ja elimiä tilauksesta.
3D-bioprinttauksella tarkoitetaan additiivisten valmistusprosessien käyttöä bioinkiksi kutsuttujen materiaalien tallentamiseksi kudoksen kaltaisten rakenteiden luomiseksi, joita voidaan käyttää lääketieteen aloilla. Kudostekniikka viittaa erilaisiin kehittyviin teknologioihin, mukaan lukien bioprinttaus, joilla kasvatetaan korvaavia kudoksia ja elimiä laboratoriossa käytettäväksi vammojen ja sairauksien hoidossa.
Suuren tarkkuuden 3D-tulostuksen avulla tutkijat, kuten tohtori Sam Pashneh-Tala Sheffieldin yliopistosta, ovat tuoneet uusia mahdollisuuksia kudostekniikkaan.
Solukasvun ohjaamiseksi niin, että haluttu kudos muodostuu, tohtori Pashneh-Tala kasvattaa laboratoriossa eläviä soluja telineeseen, joka tarjoaa halutun muodon, koon ja geometrian mukaisen mallin. Esimerkiksi sydän- ja verisuonipotilaan verisuonen luomiseksi tarvitaan putkimainen rakenne. Solut lisääntyvät ja peittävät telineen ja omaksuvat sen muodon. Teline hajoaa sitten vähitellen, jolloin elävät solut järjestäytyvät kohdekudoksen muotoon, jota viljellään bioreaktorissa, eli kammiossa, joka sisältää kehittyvän kudoksen ja joka voi jäljitellä elimistön sisäistä ympäristöä orgaanisen kudoksen mekaanisen ja biologisen suorituskyvyn hankkimiseksi.
3D-tulostettu bioreaktorikammio, jonka sisällä kasvaa kudosrakenteinen miniatyyriaortta. Kudosta kasvatetaan bioreaktorissa orgaanisen kudoksen mekaanisen ja biologisen suorituskyvyn hankkimiseksi.
Tämä antaa tutkijoille mahdollisuuden luoda potilaskohtaisia verisuonitransplanttimalleja, parempia leikkausvaihtoehtoja ja tarjoaa ainutlaatuisen testausalustan uusille verisuonilääketieteellisille laitteille sydän- ja verisuonitautia sairastaville, jotka ovat tällä hetkellä kuolemansyy numero yksi maailmanlaajuisesti. Tämän jälkeen lopullisena tavoitteena on luoda verisuonia, jotka ovat valmiita istutettavaksi potilaille. Koska kudostekniikassa käytetään hoitoa tarvitsevalta potilaalta otettuja soluja, immuunijärjestelmän hylkimisen mahdollisuus on poissuljettu, mikä on nykyään merkittävä ongelma perinteisissä elinsiirtomenetelmissä.
3D-tulostus on osoittautunut kykeneväksi vastaamaan synteettisten verisuonten tuottamisen haasteisiin ratkaisemalla vaikeudet, jotka liittyvät vaaditun verisuonen täsmällisen muodon, koon ja geometrian uudelleenluomiseen. Kyky sovittaa tulostetut ratkaisut tarkasti potilaiden erityistarpeisiin on osoittautunut käänteentekeväksi.
Tohtori Pashneh-Talan sanoin: ” tarjoaa mahdollisuuksia parempiin leikkausvaihtoehtoihin ja jopa potilaskohtaisiin verisuonimalleihin. Ilman erittäin tarkkaa ja kohtuuhintaista 3D-tulostusta näiden muotojen luominen ei olisi mahdollista.”
Me olemme nähneet jännittäviä läpimurtoja 3D-tulostimissa käytettäviksi soveltuvien biologisten materiaalien alalla. Tutkijat kehittävät uusia hydrogeelimateriaaleja, joilla on sama koostumus kuin ihmisen aivoista ja keuhkoista löytyvällä elinkudoksella ja jotka ovat yhteensopivia erilaisten 3D-tulostusprosessien kanssa. Tutkijat toivovat pystyvänsä istuttamaan niitä elimeen, jotta ne toimisivat ”telineenä”, johon soluja rohkaistaisiin kasvamaan.
Vaikka täysin toimivien sisäelinten, kuten sydämen, munuaisten ja maksan, biotulostaminen kuulostaa yhä futuristiselta, hybridien 3D-tulostustekniikoiden kehitys tapahtuu hyvin nopeasti.
Ennemmin tai myöhemmin biologisen aineen rakentamisen laboratoriotulostimissa odotetaan johtavan kykyyn tuottaa uusia, täysin toimivia 3D-tulostettuja elimiä. Huhtikuussa 2019 tutkijat loivat Tel Avivin yliopistossa ensimmäisen 3D-sydämen käyttäen potilaan biologista materiaalia. Pieni kopio luotiin käyttämällä potilaan omia biologisia materiaaleja, mikä synnytti täydellisen yhteneväisyyden potilaan immunologiseen, solutason, biokemialliseen ja anatomiseen profiiliin.
”Tässä vaiheessa 3D-sydämemme on pieni, kanin sydämen kokoinen, mutta suuremmat ihmissydämet vaativat samaa tekniikkaa”, sanoo professori Tal Dvir.
Ensimmäinen Tel Avivin yliopistossa luotu 3D-biopainettu sydän.
Mitä lääketieteelliselle 3D-tulostukselle seuraavaksi?
Tarkat ja kohtuuhintaiset 3D-tulostusprosessit, kuten työpöydän stereolitografia, demokratisoivat tekniikan saatavuutta, antavat terveydenhuollon ammattilaisille mahdollisuuden kehittää uusia kliinisiä ratkaisuja ja valmistaa nopeasti räätälöityjä laitteita ja mahdollistavat lääkäreille uusien hoitojen tarjoamisen kaikkialla maailmassa.
Kun 3D-tulostustekniikat ja -materiaalit kehittyvät edelleen, ne tasoittavat tietä yksilölliselle hoidolle ja vaikuttaville lääketieteellisille sovelluksille.
Lisätietoja 3D-tulostuksesta terveydenhuollossa.