Nya medicinska apparater och instrument
3D-utskrift har praktiskt taget blivit en synonym för snabb prototypframställning. Den enkla användningen och den låga kostnaden för intern 3D-utskrift har också revolutionerat produktutvecklingen och många tillverkare av medicinska verktyg har anammat tekniken för att producera helt nya medicintekniska produkter och kirurgiska instrument.
Över 90 procent av de 50 största företagen för medicintekniska produkter använder 3D-utskrift för att skapa exakta prototyper av medicintekniska produkter samt jiggar och fixturer för att förenkla testning.
Med Alex Drews ord, mekanisk projektingenjör på DJO Surgical, en global leverantör av medicintekniska produkter. ”Innan DJO Surgical tog in the ombord förlitade vi oss nästan uteslutande på externa utskriftsleverantörer för prototyper. Idag använder vi fyra Formlabs-maskiner, och effekten har varit djupgående. Vår hastighet för 3D-utskrifter har fördubblats, kostnaderna har minskat med 70 procent och detaljnivån på utskrifterna gör det möjligt att tydligt kommunicera konstruktioner med ortopediska kirurger.”
Företag för medicintekniska produkter som Coalesce använder sig av 3D-utskrifter för att skapa exakta prototyper av medicintekniska produkter.
3D-utskrifter kan snabba upp konstruktionsprocessen genom att komplexa konstruktioner kan itereras på några dagar i stället för några veckor. När Coalesce fick i uppdrag att skapa en inhalationsapparat som digitalt kan bedöma en astmapatients inspiratoriska flödesprofil skulle outsourcing till tjänsteleverantörer ha resulterat i långa ledtider för varje prototyp. Konstruktionsfilerna skulle ha varit tvungna att noggrant förfinas genom olika iterationer innan de skickades ut på plats för att byggas.
Istället gjorde desktop SLA 3D-utskrift det möjligt för Coalesce att behålla hela prototyptillverkningsprocessen internt. Prototyperna var lämpliga för användning i kliniska studier och såg ut precis som en färdig produkt. När de visade upp apparaten misstog deras kunder faktiskt prototypen för den färdiga produkten.
Totalt sett innebar in-house en enorm minskning av ledtiden för prototyper med 80-90 %. Dessutom tog det bara åtta timmar att skriva ut delarna och de kunde färdigställas och målas inom några dagar, medan samma process skulle ha tagit en vecka eller två genom en extern entreprenör.
Affordable Prostheses
Varje år förlorar hundratusentals människor en lem, men bara en delmängd av dem får tillgång till en protes för att återfå sin funktion.
Enkla proteser finns bara i några få storlekar, så patienterna måste nöja sig med det som passar bäst, medan skräddarsydda bioniska anordningar som är utformade för att efterlikna rörelser och grepp från riktiga lemmar som förlitar sig på musklerna i personens kvarvarande lem för att styra sina funktioner är så dyra att de bara är tillgängliga för patienter med den bästa sjukförsäkringen i utvecklade länder. Detta gäller särskilt proteser för barn. När barn växer och hamnar i äventyr växer de oundvikligen ur sina proteser och kräver dyra reparationer.
Svårigheten är bristen på tillverkningsprocesser som kan producera anpassade delar till överkomliga priser. Men i allt större utsträckning kan protesläkare dra nytta av 3D-utskriftens mycket omtalade designfrihet för att mildra dessa höga ekonomiska hinder för behandling.
Initiativ som e-NABLE gör det möjligt för hela samhällen runt om i världen att bildas kring 3D-utskrivna proteser. De driver en oberoende rörelse inom protestillverkning genom att dela information och konstruktioner med öppen källkod fritt på nätet, så att patienterna kan få en skräddarsydd protes som är väl anpassad för dem för så lite som 50 dollar.
Andra uppfinnare som Lyman Connor tar detta ett steg längre. Med endast en liten anläggning med fyra stationära 3D-skrivare kunde Lyman färdigställa och anpassa sina första produktionsproteser. Hans slutgiltiga mål? Att skapa en anpassningsbar, helt bionisk hand som kan säljas till en bråkdel av det nuvarande detaljhandelspriset på tiotusentals dollar för sådana avancerade proteser.
Också forskare vid MIT har identifierat 3D-utskrift som ett optimalt sätt att tillverka bekvämare protesfästen.
Nödvändigt att säga att den låga kostnaden för att tillverka dessa proteser, tillsammans med den frihet som följer med skräddarsydda konstruktioner, har visat sig vara en uppenbarelse. Proteser som tillverkas med 3D-utskrift kan tillverkas på så lite som två veckor och kan sedan testas och underhållas till en mycket lägre kostnad än deras traditionella motsvarigheter.
I takt med att kostnaderna fortsätter att sjunka och materialegenskaperna förbättras kommer 3D-utskrift utan tvekan att spela en allt större roll inom denna avdelning av hälso- och sjukvården.
Korrigerande inläggssulor och ortoser
Många av de höga ekonomiska hinder för behandling som ses inom protetik är också inhemska på områden som ortoser och inläggssulor. Liksom många andra patientspecifika medicintekniska produkter är specialanpassade ortoser ofta otillgängliga på grund av den höga kostnaden och det tar veckor eller månader att få dem tillverkade. Med 3D-utskrift behöver detta inte längre vara fallet.
Exemplet med Matej och hans son Nik är ett exempel som vi tänker på. Nik föddes för tidigt 2011 och svårigheter under förlossningen gjorde att Nik fick cerebral pares, ett tillstånd som drabbar nästan tjugo miljoner människor världen över. Matej inspirerades av sin sons orubbliga vilja att överskrida de begränsningar som hans tillstånd medförde, men han stod inför valet mellan en standardiserad, förtillverkad ortos som skulle ha varit otillräcklig och obekväm för hans son, eller en dyr skräddarsydd lösning som skulle ta veckor eller månader att leverera, bara för att snabbt bli föråldrad av ett växande barn.
Han bestämde sig för att ta saken i egna händer och sökte efter nya lösningar för att uppnå detta mål. Med den frihet som erbjuds av digital teknik, inklusive 3D-skanning och 3D-utskrift, kunde Matej och Niks sjukgymnaster experimentera fritt och utveckla ett helt nytt innovativt arbetsflöde för fotledsortoser (AFOs).
Den skräddarsydda, 3D-utskrivna ortosen som blev resultatet gav Nik stöd, komfort och korrigering precis där det behövdes, vilket hjälpte Nik att äntligen ta sina första självständiga steg. Denna skräddarsydda ortos upprepade den högjusterade finishen hos avancerade ortoser, till en bråkdel av priset och utan att det krävdes några ytterligare justeringar.
Professionella runt om i världen använder 3D-utskrift för att återuppfinna patient- och kundspecifika inläggssulor och ortoser, liksom en rad andra verktyg för att förbättra sjukgymnastiken. Tidigare har det visat sig vara svårt att genomföra sjukgymnastik med hjälp av skräddarsydda verktyg. Patienterna stod ofta inför långa väntetider och färdiga delar som ledde till obehag. 3D-utskrift är på väg att ändra detta status quo. 3D-utskrivna inläggssulor och ortoser har visat sig ha bättre passform, lett till bättre terapeutiska resultat och gett en högre grad av komfort och användning för patienterna.
Bioprinting, Tissue Engineering, 3D-utskrivna organ och vidare
De konventionella sätten att behandla patienter med allvarliga organsvårigheter innebär för närvarande att man använder sig av autotransplantationer, en transplantation av vävnad från en punkt till en annan i samma individs kropp, eller organtransplantationer från en donator. Forskare inom bioprinting och vävnadsteknik hoppas snart kunna ändra detta och kunna skapa vävnader, blodkärl och organ på begäran.
3D-bioprinting avser användningen av additiva tillverkningsprocesser för att deponera material som kallas bioinkar för att skapa vävnadsliknande strukturer som kan användas inom medicinska områden. Med vävnadsteknik avses olika tekniker under utveckling, inklusive bioprinting, för att odla ersättningsvävnader och organ i laboratoriet för användning vid behandling av skador och sjukdomar.
Med hjälp av 3D-utskrift med hög precision har forskare som Dr. Sam Pashneh-Tala från University of Sheffield skapat nya möjligheter för vävnadsteknik.
För att styra celltillväxten så att den önskade vävnaden bildas odlar Dr. Pashneh-Tala levande celler på en ställning i labbet, som ger en mall med den önskade formen, storleken och geometrin. Till exempel behövs en rörformig struktur för att skapa ett blodkärl för en hjärt- och kärlpatient. Cellerna förökar sig och täcker ställningen och antar dess form. Ställningen bryts sedan gradvis ner och lämnar de levande cellerna arrangerade i form av målvävnaden, som odlas i en bioreaktor, en kammare som innehåller den framväxande vävnaden och kan reproducera kroppens inre miljö, för att förvärva mekanisk och biologisk prestanda hos organisk vävnad.
En 3D-utskriven bioreaktorkammare med en vävnadskonstruerad miniatyr aorta som växer inuti. Vävnaden odlas i bioreaktorn för att få den mekaniska och biologiska prestandan hos organisk vävnad.
Detta kommer att göra det möjligt för forskare att skapa patientspecifika kärltransplantatkonstruktioner, förbättrade kirurgiska alternativ och ger en unik testplattform för nya vaskulära medicintekniska produkter för dem som lider av kardiovaskulära sjukdomar, som för närvarande är den främsta dödsorsaken i världen. Därefter är det slutliga målet att skapa blodkärl som är redo att implanteras i patienterna. Eftersom vävnadsteknik använder celler som tas från den patient som behöver behandlingen, elimineras risken för avstötning från immunsystemet – ett stort problem vid konventionella organtransplantationer i dag.
3D-utskrift har visat sig kunna svara på utmaningarna med att producera syntetiska blodkärl genom att lösa svårigheterna med att återskapa de exakta formerna, storlekarna och geometrierna hos det kärl som krävs. Det har visat sig vara en uppenbarelse att kunna anpassa de utskrivna lösningarna till patienternas specifika behov.
Med dr Pashneh-Talas ord: ” erbjuder potential för förbättrade kirurgiska alternativ och till och med patientanpassade blodkärlskonstruktioner. Utan tillgång till högprecisions-3D-printing till överkomliga priser skulle det inte vara möjligt att skapa dessa former.”
Vi har sett spännande genombrott när det gäller biologiska material som lämpar sig för användning i 3D-skrivare. Forskare utvecklar nya hydrogelmaterial som har samma konsistens som organvävnad som finns i människans hjärna och lungor och som kan vara kompatibla med olika 3D-utskriftsprocesser. Forskarna hoppas kunna implantera dem i ett organ för att fungera som en ”ställning” på vilken cellerna uppmuntras att växa.
Men även om bioprinting av fullt fungerande inre organ som hjärtan, njurar och lever fortfarande låter futuristiskt, sker framstegen med hybridtekniker för 3D-printing i en mycket snabb takt.
Förr eller senare förväntas byggandet av biologisk materia i laboratorieskrivare leda till möjligheten att generera nya, fullt fungerande 3D-utskrivna organ. I april 2019 skapade forskare vid Tel Aviv University det första 3D-hjärtat med hjälp av en patients biologiska material. Den lilla repliken skapades med hjälp av patientens egna biologiska material, vilket gav upphov till en fullständig matchning av patientens immunologiska, cellulära, biokemiska och anatomiska profil.
”I det här skedet är vårt 3D-hjärta litet, lika stort som ett kaninhjärta, men större människohjärtan kräver samma teknik”, säger professor Tal Dvir.
Det första 3D-hjärtat med bioprint, som skapats vid universitetet i Tel Aviv.
Vad är nästa steg för medicinsk 3D-utskrift?
Precisa och prisvärda 3D-utskriftsprocesser som stereolitografi på skrivbordet demokratiserar tillgången till tekniken, ger sjukvårdspersonal möjlighet att utveckla nya kliniska lösningar och snabbt tillverka skräddarsydda anordningar, och gör det möjligt för läkare att leverera nya behandlingar över hela världen.
I takt med att 3D-utskriftstekniken och materialen fortsätter att förbättras kommer de att bana väg för personlig vård och medicinska tillämpningar med stor inverkan.
Läs mer om 3D-utskrift inom hälso- och sjukvården.