Noi dispozitive și instrumente medicale
Imprimarea 3D a devenit practic un sinonim pentru prototiparea rapidă. Ușurința de utilizare și costul redus al imprimării 3D in-house a revoluționat, de asemenea, dezvoltarea de produse și mulți producători de instrumente medicale au adoptat tehnologia pentru a produce dispozitive medicale și instrumente chirurgicale complet noi.
Peste 90 la sută dintre cele mai mari 50 de companii de dispozitive medicale folosesc imprimarea 3D pentru a crea prototipuri precise ale dispozitivelor medicale, precum și șabloane și dispozitive de fixare pentru a simplifica testarea.
În cuvintele lui Alex Drew, inginer de proiecte mecanice la DJO Surgical, un furnizor global de dispozitive medicale. „Înainte ca DJO Surgical să-l aducă la bord, ne bazam aproape exclusiv pe furnizori externi de imprimare pentru prototipuri. Astăzi, utilizăm patru mașini Formlabs, iar impactul a fost profund. Rata noastră de imprimare 3D s-a dublat, costurile au fost reduse cu 70 la sută, iar nivelul de detaliu al imprimării permite comunicarea clară a modelelor cu chirurgii ortopedici.”
Companii de dispozitive medicale precum Coalesce folosesc imprimarea 3D pentru a crea prototipuri precise ale dispozitivelor medicale.
Imprimarea 3D poate accelera procesul de proiectare prin iterarea modelelor complexe în câteva zile în loc de săptămâni. Atunci când Coalesce a primit sarcina de a crea un dispozitiv inhalator care poate evalua digital profilul fluxului inspirator al unui pacient cu astm, externalizarea către furnizorii de servicii ar fi dus la termene de execuție îndelungate pentru fiecare prototip. Fișierele de proiectare ar fi trebuit să fie rafinate cu minuțiozitate prin diferite iterații înainte de a fi trimise în exterior pentru a fi construite.
În schimb, imprimarea 3D SLA de birou a permis companiei Coalesce să păstreze întregul proces de prototipare în cadrul companiei. Prototipurile au fost potrivite pentru a fi utilizate în studiile clinice și arătau exact ca un produs finit. De fapt, atunci când au prezentat dispozitivul, clienții lor au confundat prototipul cu produsul final.
În ansamblu, in-house a reprezentat o reducere enormă de 80-90% a timpului de realizare a prototipurilor. Mai mult, imprimarea pieselor a durat doar opt ore și a putut fi finisată și vopsită în câteva zile, în timp ce același proces ar fi durat o săptămână sau două prin intermediul unui contractor extern.
Proteze accesibile
În fiecare an, sute de mii de oameni își pierd un membru, dar numai un subset dintre aceștia au acces la o proteză pentru a-și recăpăta funcția.
Protezele simple sunt disponibile doar în câteva dimensiuni, astfel încât pacienții trebuie să se mulțumească cu ceea ce li se potrivește cel mai bine, în timp ce dispozitivele bionice personalizate concepute pentru a imita mișcările și apucăturile membrelor reale, care se bazează pe mușchii din membrul rezidual al unei persoane pentru a-și controla funcțiile, sunt atât de scumpe încât sunt accesibile doar pacienților cu cele mai bune asigurări de sănătate din țările dezvoltate. Acest lucru afectează în special protezele pentru copii. Pe măsură ce copiii cresc și se avântă în aventuri, în mod inevitabil își depășesc protezele și necesită reparații costisitoare.
Dificultatea constă în lipsa unor procese de fabricație care să poată produce piese personalizate la prețuri accesibile. Dar, din ce în ce mai mult, proteticienii pot profita de libertatea de proiectare a imprimantei 3D, atât de apreciată, pentru a atenua aceste bariere financiare ridicate în calea tratamentului.
Inițiative precum e-NABLE permit unor întregi comunități din întreaga lume să se formeze în jurul protezelor imprimate 3D. Acestea impulsionează o mișcare independentă în producția de proteze prin partajarea gratuită online a informațiilor și a modelelor open-source, astfel încât pacienții pot obține o proteză personalizată și bine adaptată pentru ei pentru doar 50 de dolari.
Alți inventatori, cum ar fi Lyman Connor, fac un pas mai departe. Cu doar o mică instalație de patru imprimante 3D de birou, Lyman a reușit să finalizeze și să monteze primele sale proteze de producție. Obiectivul său final? Să creeze o mână personalizabilă, complet bionică, care să fie vândută la o fracțiune din prețul actual de vânzare cu amănuntul de zeci de mii de dolari pentru astfel de proteze avansate.
În altă parte, cercetătorii de la MIT au identificat, de asemenea, imprimarea 3D ca fiind un mijloc optim de producere a unor socluri de proteză mai confortabile.
Nu mai este nevoie să spunem că costul redus al producerii acestor proteze, împreună cu libertatea care vine cu modelele personalizate, s-a dovedit a fi revelator. Protezele realizate cu ajutorul imprimării 3D pot fi predate în doar două săptămâni și apoi pot fi testate și întreținute la un cost mult mai mic decât cele tradiționale.
Pe măsură ce costurile continuă să scadă și proprietățile materialelor se îmbunătățesc, imprimarea 3D va juca, fără îndoială, un rol din ce în ce mai important în acest departament al asistenței medicale.
Pantofi corectivi și orteze
Multe dintre aceleași bariere financiare ridicate în calea tratamentului observate în cazul protezelor sunt, de asemenea, native în domenii precum ortezele și tălpile. La fel ca multe alte dispozitive medicale specifice pacientului, ortezele personalizate sunt adesea inaccesibile din cauza costului lor ridicat și durează săptămâni sau luni pentru a fi fabricate. Cu ajutorul imprimării 3D, acest lucru nu mai trebuie să fie cazul.
Ne vine în minte exemplul lui Matej și al fiului său Nik. Născut prematur în 2011, dificultățile din timpul nașterii l-au făcut pe Nik să sufere de paralizie cerebrală, o afecțiune care afectează aproape douăzeci de milioane de persoane din întreaga lume. Matej a fost inspirat de voința de nezdruncinat a fiului său de a transcende limitările condiției sale, dar s-a confruntat cu o alegere între o orteză standard, prefabricată, care ar fi fost inadecvată și inconfortabilă pentru fiul său, sau o soluție personalizată costisitoare care ar fi durat săptămâni sau luni pentru a fi livrată, doar pentru a fi făcută rapid caducă de un copil în creștere.
A decis să ia problema în propriile mâini și a căutat noi soluții pentru a atinge acest obiectiv. Cu libertatea oferită de tehnologiile digitale, inclusiv scanarea 3D și imprimarea 3D, Matej și fizioterapeuții lui Nik au putut să experimenteze în mod liber și să dezvolte un flux de lucru complet nou și inovator pentru ortezele gleznă-picior (AFO).
Orteza rezultată, făcută la comandă și imprimată 3D, i-a oferit lui Nik sprijin, confort și corecție exact acolo unde era nevoie, ajutându-l pe Nik să facă în sfârșit primii pași independenți. Această orteză personalizată a reprodus finisajul foarte bine ajustat al ortezelor high-end, la o fracțiune din preț și fără a mai fi necesare alte ajustări.
Profesioniștii din întreaga lume folosesc imprimarea 3D pentru a reinventa tălpile și ortezele specifice pacienților și clienților, precum și o serie de alte instrumente pentru îmbunătățirea terapiei fizice. În trecut, desfășurarea terapiei fizice cu ajutorul unor instrumente personalizate s-a dovedit a fi dificilă. Pacienții se confruntau adesea cu timpi de așteptare lungi și cu piese finite care duceau la disconfort. Imprimarea 3D este pe cale să schimbe acest status quo. Șoldurile și ortezele imprimate 3D s-au dovedit a fi mai bine adaptate, au condus la rezultate terapeutice mai bune și au oferit un grad mai mare de confort și utilizare pentru pacienți.
Bioprinting, Tissue Engineering, 3D Printed Organs and Beyond
Mediile convenționale de tratare a pacienților cu insuficiențe grave de organe implică în prezent utilizarea autogrefelor, o grefă de țesut dintr-un punct în altul al corpului aceluiași individ, sau transplanturi de organe de la un donator. Cercetătorii din domeniul bioimprimării și al ingineriei tisulare speră să schimbe în curând această situație și să poată crea țesuturi, vase de sânge și organe la cerere.
Bioimprimarea 3D se referă la utilizarea proceselor de fabricație aditivă pentru a depune materiale cunoscute sub numele de biomateriale pentru a crea structuri asemănătoare țesuturilor care pot fi utilizate în domeniul medical. Ingineria țesuturilor se referă la diversele tehnologii în evoluție, inclusiv bioimprimarea, pentru a crește țesuturi și organe de înlocuire în laborator pentru a fi utilizate în tratarea leziunilor și a bolilor.
Cu ajutorul imprimării 3D de înaltă precizie, cercetători precum Dr. Sam Pashneh-Tala de la Universitatea din Sheffield au adus noi posibilități în domeniul ingineriei tisulare.
Pentru a direcționa creșterea celulară astfel încât să se formeze țesutul necesar, Dr. Pashneh-Tala crește celule vii pe o schelă în laborator, care oferă un șablon cu forma, dimensiunea și geometria necesară. De exemplu, este nevoie de o structură tubulară pentru a crea un vas de sânge pentru un pacient cardiovascular. Celulele se vor înmulți și vor acoperi eșafodajul, căpătând forma acestuia. Schela se descompune apoi treptat, lăsând celulele vii dispuse în forma țesutului țintă, care este cultivat într-un bioreactor, o cameră care conține țesutul în dezvoltare și care poate reproduce mediul intern al organismului, pentru a dobândi performanțele mecanice și biologice ale țesutului organic.
Camera unui bioreactor imprimat 3D cu o aortă miniaturală obținută prin inginerie tisulară care crește în interior. Țesutul este cultivat în bioreactor pentru a dobândi performanța mecanică și biologică a țesutului organic.
Acest lucru le va permite oamenilor de știință să creeze modele de grefe vasculare specifice pacienților, opțiuni chirurgicale îmbunătățite și oferă o platformă unică de testare pentru noi dispozitive medicale vasculare pentru cei care suferă de boli cardiovasculare, care reprezintă în prezent cauza numărul unu de deces la nivel mondial. Ulterior, scopul final este de a crea vase de sânge care sunt gata să fie implantate în pacienți. Deoarece ingineria tisulară utilizează celule prelevate de la pacientul care necesită tratament, se elimină posibilitatea respingerii de către sistemul imunitar – o problemă majoră în procedurile convenționale de transplant de organe din prezent.
Imprimarea 3D s-a dovedit capabilă să răspundă provocărilor legate de producerea de vase de sânge sintetice prin rezolvarea dificultăților legate de recrearea formelor, dimensiunilor și geometriilor precise ale vaselor necesare. Faptul de a putea adapta îndeaproape soluțiile tipărite la nevoile specifice ale pacienților s-a dovedit a fi revelator.
În cuvintele Dr. Pashneh-Tala: „oferă potențialul pentru opțiuni chirurgicale îmbunătățite și chiar modele de vase de sânge adaptate pacientului. Fără accesul la imprimarea 3D de înaltă precizie, la prețuri accesibile, crearea acestor forme nu ar fi posibilă.”
Am asistat la descoperiri interesante în ceea ce privește materialele biologice potrivite pentru utilizarea în imprimantele 3D. Oamenii de știință dezvoltă noi materiale hidrogel care au aceeași consistență ca și țesuturile organice care pot fi găsite în creierul și plămânii umani și care pot fi compatibile cu diverse procese de imprimare 3D. Oamenii de știință speră să le poată implanta pe un organ, pentru a acționa ca „schelă” pe care celulele ar fi încurajate să se dezvolte.
În timp ce bioimprimarea de organe interne complet funcționale, cum ar fi inimile, rinichii și ficatul, sună încă futurist, progresele cu tehnicile hibride de imprimare 3D se întâmplă într-un ritm foarte rapid.
Chiar mai devreme sau mai târziu, construirea materiei biologice în imprimantele de laborator este de așteptat să ducă la capacitatea de a genera organe noi, complet funcționale imprimate 3D. În aprilie 2019, oamenii de știință au creat prima inimă 3D folosind materialele biologice ale unui pacient la Universitatea din Tel Aviv. Replica minusculă a fost creată cu ajutorul materialelor biologice ale pacientului, generând o potrivire completă a profilului imunologic, celular, biochimic și anatomic al pacientului.
„În acest stadiu, inima noastră 3D este mică, de mărimea unei inimi de iepure, dar inimi umane mai mari necesită aceeași tehnologie”, a declarat profesorul Tal Dvir.
Prima inimă bioimprimată 3D, creată la Universitatea din Tel Aviv.
Ce urmează pentru imprimarea 3D în domeniul medical?
Procesele de imprimare 3D precise și accesibile, cum ar fi stereolitografia de birou, democratizează accesul la această tehnologie, permițând profesioniștilor din domeniul sănătății să dezvolte noi soluții clinice și să fabrice rapid dispozitive personalizate și permițând medicilor să ofere noi tratamente în întreaga lume.
Pe măsură ce tehnologiile și materialele de imprimare 3D continuă să se îmbunătățească, acestea vor deschide calea pentru îngrijire personalizată și aplicații medicale de mare impact.
Aflați mai multe despre imprimarea 3D în domeniul sănătății