Nowe urządzenia i instrumenty medyczne
Druk 3D stał się praktycznie synonimem szybkiego prototypowania. Łatwość użycia i niskie koszty druku 3D na miejscu zrewolucjonizowały również rozwój produktów, a wielu producentów narzędzi medycznych zaadoptowało tę technologię do produkcji zupełnie nowych urządzeń medycznych i instrumentów chirurgicznych.
Ponad 90 procent z 50 największych firm produkujących urządzenia medyczne wykorzystuje druk 3D do tworzenia dokładnych prototypów urządzeń medycznych, a także przyrządów i uchwytów upraszczających testowanie.
W słowach Alexa Drew, inżyniera projektów mechanicznych w DJO Surgical, globalnym dostawcy urządzeń medycznych. „Zanim DJO Surgical wprowadziło na pokład Formlera, polegaliśmy prawie wyłącznie na zewnętrznych dostawcach usług druku prototypów. Dziś korzystamy z czterech maszyn Formlabs, a ich wpływ jest ogromny. Nasze tempo druku 3D podwoiło się, koszty zostały zredukowane o 70 procent, a poziom szczegółowości druku pozwala na jasną komunikację projektów z chirurgami ortopedami.”
Przedsiębiorstwa z branży urządzeń medycznych, takie jak Coalesce, wykorzystują druk 3D do tworzenia dokładnych prototypów urządzeń medycznych.
Druk 3D może przyspieszyć proces projektowania poprzez iterację złożonych projektów w ciągu kilku dni zamiast tygodni. Kiedy firma Coalesce otrzymała zadanie stworzenia urządzenia do inhalacji, które może cyfrowo ocenić profil przepływu wdechowego pacjenta z astmą, zlecenie tego zadania dostawcom usług spowodowałoby długi czas realizacji każdego prototypu. Pliki projektowe musiałyby być żmudnie udoskonalane poprzez różne iteracje, zanim zostałyby wysłane na miejsce budowy.
Ogółem, in-house reprezentował ogromną 80-90% redukcję czasu realizacji prototypów. Co więcej, drukowanie części trwało tylko osiem godzin i można je było wykończyć i pomalować w ciągu kilku dni, podczas gdy ten sam proces zająłby tydzień lub dwa zewnętrznemu wykonawcy.
Dostępne protezy
Co roku setki tysięcy ludzi traci kończynę, ale tylko część z nich uzyskuje dostęp do protezy, aby odzyskać jej funkcję.
Proste protezy są dostępne tylko w kilku rozmiarach, więc pacjenci muszą sobie radzić z tym, co najlepiej pasuje, podczas gdy dopasowane na zamówienie urządzenia bioniczne zaprojektowane tak, aby naśladować ruchy i chwyty prawdziwych kończyn, które polegają na mięśniach w kończynie szczątkowej osoby, aby kontrolować ich funkcje, są tak drogie, że są dostępne tylko dla pacjentów z najlepszym ubezpieczeniem zdrowotnym w krajach rozwiniętych. Dotyczy to w szczególności protez dla dzieci. W miarę jak dzieci rosną i przeżywają przygody, nieuchronnie przerastają swoje protezy i wymagają kosztownych napraw.
Trudność polega na braku procesów produkcyjnych, które mogą produkować części na zamówienie w przystępnej cenie. Ale coraz częściej, protetycy mogą skorzystać z druku 3D bardzo zauważony swobody projektowania do złagodzenia tych wysokich barier finansowych do leczenia.
Inicjatywy takie jak e-NABLE pozwalają całym społecznościom na całym świecie tworzyć wokół protez drukowanych w 3D. Napędzają one niezależny ruch w produkcji protez poprzez dzielenie się informacjami i projektami open-source swobodnie w sieci, dzięki czemu pacjenci mogą uzyskać protezę zaprojektowaną na zamówienie, która jest dobrze dostosowana do ich potrzeb już za 50 dolarów.
Inni wynalazcy, tacy jak Lyman Connor, biorą to jeden krok dalej. Dysponując jedynie niewielkim zapleczem w postaci czterech drukarek 3D, Lyman był w stanie wykonać i dopasować swoje pierwsze protezy produkcyjne. Jego ostateczny cel? Stworzyć konfigurowalną, w pełni bioniczną rękę, która będzie sprzedawana za ułamek obecnych dziesiątek tysięcy dolarów ceny detalicznej za tak zaawansowane protezy.
Gdzie indziej, badacze z MIT również zidentyfikowali druk 3D jako optymalny środek do produkcji bardziej komfortowych gniazd protez.
Nie trzeba dodawać, że niski koszt produkcji tych protez, wraz z wolnością, która pochodzi z niestandardowych projektów, okazał się rewelacyjny. Protezy wykonane za pomocą druku 3D mogą być zwrócone w ciągu zaledwie dwóch tygodni, a następnie mogą być testowane i utrzymywane przy znacznie niższych kosztach niż ich tradycyjne odpowiedniki.
W miarę dalszego obniżania kosztów i poprawy właściwości materiałów, druk 3D będzie niewątpliwie odgrywał coraz większą rolę w tym dziale opieki zdrowotnej.
Wkładki korekcyjne i ortezy
Wiele z tych samych wysokich barier finansowych w leczeniu, widocznych w protetyce, dotyczy również dziedzin takich jak ortezy i wkładki. Podobnie jak wiele innych specyficznych dla pacjenta urządzeń medycznych, niestandardowe ortezy są często niedostępne ze względu na ich wysoki koszt i zajmują tygodnie lub miesiące, aby je wyprodukować. Dzięki drukowi 3D nie musi to już mieć miejsca.
Na myśl przychodzi nam przykład Mateja i jego syna Nika. Urodzony przedwcześnie w 2011 roku, trudności podczas porodu sprawiły, że Nik ma porażenie mózgowe, chorobę, która dotyka prawie 20 milionów ludzi na całym świecie. Matej był zainspirowany niezachwianą wolą swojego syna, aby przekroczyć ograniczenia związane z jego chorobą, ale stanął przed wyborem pomiędzy standardową, gotową ortezą, która byłaby nieodpowiednia i niewygodna dla jego syna, a drogim rozwiązaniem na zamówienie, którego dostarczenie zajęłoby tygodnie lub miesiące, a które szybko stałoby się przestarzałe z powodu rosnącego dziecka.
Postanowił wziąć sprawy w swoje ręce i poszukał nowych rozwiązań, aby osiągnąć ten cel. Dzięki wolności oferowanej przez technologie cyfrowe, w tym skanowanie 3D i druk 3D, fizykoterapeuci Mateja i Nika byli w stanie swobodnie eksperymentować i opracować zupełnie nowy, innowacyjny sposób pracy nad ortezami stawu skokowego (AFO).
Wykonana na zamówienie, wydrukowana w 3D orteza zapewniła Nikowi wsparcie, komfort i korekcję dokładnie tam, gdzie była potrzebna, pomagając mu w końcu postawić pierwsze samodzielne kroki. To niestandardowe urządzenie ortopedyczne powtórzyło wysoce dopasowane wykończenie wysokiej klasy wkładek ortopedycznych, za ułamek ceny i bez konieczności dalszych regulacji.
Profesjonaliści na całym świecie wykorzystują druk 3D do ponownego wynalezienia wkładek i ortez dostosowanych do potrzeb pacjenta i klienta, jak również szeregu innych narzędzi służących poprawie terapii fizycznej. W przeszłości, przebieg fizykoterapii z wykorzystaniem niestandardowych narzędzi okazał się trudny. Pacjenci często borykali się z długim czasem oczekiwania i gotowymi elementami, które prowadziły do dyskomfortu. Druk 3D jest na dobrej drodze do zmiany tego status quo. Drukowane w 3D wkładki i ortezy okazały się być lepiej dopasowane, doprowadziły do lepszych wyników terapeutycznych i zapewniły większy stopień komfortu i użytkowania dla pacjentów.
Bioprinting, Tissue Engineering, 3D Printed Organs and Beyond
Konwencjonalne sposoby leczenia pacjentów z poważnymi awariami narządów obejmują obecnie stosowanie autoprzeszczepów, czyli przeszczepów tkanki z jednego punktu do innego ciała tej samej osoby, lub przeszczepów narządów od dawcy. Naukowcy z dziedziny bioprintingu i inżynierii tkankowej mają nadzieję, że wkrótce uda im się to zmienić i będą w stanie tworzyć tkanki, naczynia krwionośne i narządy na żądanie.
Bioprinting 3D odnosi się do wykorzystania procesów wytwarzania addytywnego do deponowania materiałów znanych jako bioinżynieria w celu tworzenia struktur przypominających tkanki, które mogą być wykorzystywane w dziedzinach medycznych. Inżynieria tkankowa odnosi się do różnych rozwijających się technologii, w tym bioprintingu, do hodowli zastępczych tkanek i narządów w laboratorium w celu wykorzystania w leczeniu urazów i chorób.
Z pomocą druku 3D o wysokiej precyzji, badacze tacy jak dr Sam Pashneh-Tala z Uniwersytetu w Sheffield przynieśli nowe możliwości inżynierii tkankowej.
Aby kierować wzrostem komórek tak, aby powstała wymagana tkanka, dr Pashneh-Tala hoduje żywe komórki na rusztowaniu w laboratorium, które zapewnia szablon o wymaganym kształcie, rozmiarze i geometrii. Na przykład, aby stworzyć naczynie krwionośne dla pacjenta cierpiącego na choroby układu krążenia, potrzebna jest struktura rurowa. Komórki namnażają się i pokrywają rusztowanie, przyjmując jego kształt. Rusztowanie następnie stopniowo rozpada się, pozostawiając żywe komórki ułożone w kształt tkanki docelowej, która jest hodowana w bioreaktorze, komorze, która zawiera rozwijającą się tkankę i może odtwarzać środowisko wewnętrzne organizmu, w celu uzyskania mechanicznych i biologicznych parametrów tkanki organicznej.
Komora bioreaktora wydrukowana w 3D z rosnącą wewnątrz miniaturową aortą inżynierii tkankowej. Tkanka jest hodowana w bioreaktorze w celu uzyskania mechanicznej i biologicznej wydajności tkanki organicznej.
Umożliwi to naukowcom tworzenie specyficznych dla pacjenta projektów przeszczepów naczyniowych, ulepszonych opcji chirurgicznych i zapewni unikalną platformę testową dla nowych naczyniowych urządzeń medycznych dla osób cierpiących na choroby sercowo-naczyniowe, które są obecnie pierwszą przyczyną zgonów na świecie. Ostatecznym celem jest stworzenie naczyń krwionośnych, które będą gotowe do wszczepienia pacjentom. Ponieważ inżynieria tkankowa wykorzystuje komórki pobrane od pacjenta wymagającego leczenia, eliminuje możliwość odrzucenia przez układ odpornościowy – główny problem w konwencjonalnych procedurach przeszczepu narządów w dzisiejszych czasach.
Druk 3D okazał się zdolny do sprostania wyzwaniom związanym z produkcją syntetycznych naczyń krwionośnych poprzez rozwiązanie trudności związanych z odtworzeniem precyzyjnych kształtów, rozmiarów i geometrii wymaganych naczyń. Możliwość ścisłego dopasowania drukowanych rozwiązań do specyficznych potrzeb pacjentów okazała się rewelacyjna.
W słowach dr Pashneh-Tala: ” oferuje potencjał dla ulepszonych opcji chirurgicznych, a nawet dopasowanych do pacjenta projektów naczyń krwionośnych. Bez dostępu do wysoce precyzyjnego, niedrogiego druku 3D, tworzenie tych kształtów nie byłoby możliwe.”
Widzieliśmy ekscytujące przełomy w materiałach biologicznych nadających się do wykorzystania w drukarkach 3D. Naukowcy opracowują nowe materiały hydrożelowe, które mają taką samą konsystencję jak tkanka organiczna, którą można znaleźć w ludzkim mózgu i płucach i które mogą być kompatybilne z różnymi procesami druku 3D. Naukowcy mają nadzieję, że będą w stanie wszczepić je do organu, aby działały jako „rusztowanie”, na którym komórki będą zachęcane do wzrostu.
While bioprinting w pełni funkcjonalnych organów wewnętrznych, takich jak serca, nerki i wątroby nadal brzmi futurystycznie, postępy z hybrydowymi technikami druku 3D dzieją się w bardzo szybkim tempie.
Wcześniej czy później, budowanie materii biologicznej w drukarkach laboratoryjnych ma doprowadzić do możliwości generowania nowych, w pełni funkcjonalnych narządów drukowanych 3D. W kwietniu 2019 r. na Uniwersytecie w Tel Awiwie naukowcy stworzyli pierwsze serce 3D z wykorzystaniem materiałów biologicznych pacjenta. Maleńka replika została stworzona przy użyciu własnych materiałów biologicznych pacjenta, generując pełne dopasowanie profilu immunologicznego, komórkowego, biochemicznego i anatomicznego pacjenta.
„Na tym etapie nasze serce 3D jest małe, wielkości serca królika, ale większe ludzkie serca wymagają tej samej technologii” – powiedział profesor Tal Dvir.
Pierwsze bioprintowane serce 3D, stworzone na Uniwersytecie w Tel Awiwie.
Co dalej z medycznym drukiem 3D?
Precyzyjne i przystępne cenowo procesy druku 3D, takie jak stereolitografia na biurku, demokratyzują dostęp do technologii, umożliwiając pracownikom służby zdrowia opracowywanie nowych rozwiązań klinicznych i szybką produkcję niestandardowych urządzeń, a lekarzom dostarczanie nowych metod leczenia na całym świecie.
W miarę jak technologie druku 3D i materiały będą się wciąż doskonalić, utorują one drogę dla spersonalizowanej opieki i wysoce wpływowych zastosowań medycznych.
Dowiedz się więcej o druku 3D w służbie zdrowia