3D spausdinimo technologija medicinos srityje

3D spausdinimo technologija jau parodė didelį pritaikymo potencialą medicinos srityje. Šiuo metu jis pirmiausia taikomas šiomis kryptimis, o kai kurios technologijos jau įžengė į praktinį etapą:

Taikymo scenarijai: atliekant sudėtingas operacijas, pvz., ortopedines procedūras, organų rezekciją ir transplantaciją, 3D spausdinimas gali sukurti 1:1 trijų- matmenų modelius iš pacientų KT ar MRT duomenų, padedant gydytojams vizualiai stebėti pažeidimo vietos struktūrą ir sudaryti tikslius chirurginius planus.

Praktiniai atvejai: Sėkmingai pritaikyta ortopedijoje (pavyzdžiui, kompleksinių lūžių taisymas), stomatologijoje (veido žandikaulių rekonstrukcija), širdies chirurgijoje (širdies apsigimimų korekcija), onkologijoje (naviko rezekcijos planavimas) ir kitose srityse.

Privalumai: sumažina chirurgijos riziką, sutrumpina operacijos laiką ir pagerina sėkmės rodiklius. Pavyzdžiui, ortopedinėje chirurgijoje modelis gali imituoti kaulų defektų morfologiją ir padėti gydytojams kurti individualizuotus implantus.

Be šių pagrindinių naudojimo būdų, priešoperacinis modeliavimas tapo vienu brandžiausių ir plačiausiai taikomų medicininio 3D spausdinimo programų. Konvertuodami dviejų-dimensijų vaizdo duomenis į apčiuopiamus, konkrečius paciento-fizinius modelius, chirurgai įgyja tokį erdvinį supratimą, kurio tradicinė ekrano{4}}vizualizacija negali visiškai suteikti. Sudėtingais traumų atvejais, kai yra daug lūžių fragmentų ar sunkios deformacijos, fizinis modelis leidžia visai chirurgų komandai repetuoti sumažinimo, fiksavimo ir rekonstrukcijos seką prieš patenkant į operacinę. Šis repeticijų procesas dažnai atskleidžia netikėtų anatominių pokyčių arba instrumentų{7}}prieigos iššūkių, kurie kitu atveju išryškėtų tik operacijos metu. Dėl to pasirinktų procedūrų operacijos laikas gali sutrumpėti 20–40 procentų, sumažėja kraujo netekimas, o tikimybė, kad prireiks neplanuotų intraoperacinių koregavimų, pastebimai sumažėja. Ligoninės, kurios integravo 3D{13}}spausdintus modelius į įprastą priešoperacinę darbo eigą, praneša apie didesnį chirurgų pasitikėjimą ir geresnį bendravimą su pacientais ir šeimomis, kurie gali lengviau suprasti planuojamą intervenciją, kai gali laikyti ir ištirti savo anatomijos modelį.

Funkcija: Vadovai, pritaikyti pagal paciento anatominę struktūrą, padeda gydytojams tiksliai nustatyti chirurginio kelio vietą (pvz., gręžti ir pjauti), taip sumažinant žmogiškąsias klaidas.

Taikymo skyriai: Ortopedijos (sąnarių endoprotezavimo, stuburo chirurgijos), stomatologijos (dantų implantų kreiptuvų), neurochirurgijos (smegenų chirurgijos navigacijos) ir kt.

Privalumai: pagerina chirurginį tikslumą, ypač tinka minimaliai invazinėms procedūroms. Pavyzdžiui, atliekant visišką kelio sąnario endoprotezavimą, vadovas gali užtikrinti, kad protezo implantavimo kampo paklaida būtų mažesnė nei 1 laipsnis.

Chirurginiai vadovai yra natūralus priešoperacinio planavimo išplėtimas į patį operacijos lauką. Kompiuteryje užbaigus virtualų chirurginį planą, tie patys skaitmeniniai duomenys naudojami kuriant konkrečius paciento{1}} pjovimo ar gręžimo kreipiklius, kurie unikaliai priglunda prie paciento kaulo paviršiaus. Šie kreiptuvai tiksliai perkelia suplanuotas trajektorijas, gylius ir kampus tiesiai į operacijos vietą. Pvz., atliekant stuburo chirurgiją, labai svarbus yra kotelio -sraigto įdėjimo tikslumas; net ir nedideli kampiniai nuokrypiai gali pakenkti fiksavimo stiprumui arba rizikuoti neurologiniais sužalojimais. Atspausdintų vadovų tikslumas viršija 95 proc., o tai yra žymiai didesnis nei naudojant laisvarankio metodus ir daugeliu atvejų palyginamas arba pranašesnis už brangias intraoperacines navigacijos sistemas. Dantų implantologijoje kreiptuvai leidžia atlikti be atvartų arba minimaliai invazinį įdėjimą su nuspėjamu atsiradimo profiliu ir idealiais protezavimo rezultatais. Kadangi kreiptuvai yra pagaminti iš biologiškai suderinamų, sterilizuojamų medžiagų, juos galima saugiai naudoti operacinėje ir paprastai pristatomi per 48 valandas nuo vaizdo duomenų gavimo. Dėl greičio, tikslumo ir santykinai mažų sąnaudų chirurginiai kreiptuvai tapo vienu sparčiausiai augančių medicininio 3D spausdinimo segmentų.

Techninės charakteristikos: Nuskaitant pacientų likutinius galūnių duomenis, 3D spausdinimas sukuria personalizuotus protezavimo lizdus, ​​atitinkančius paciento fiziologines savybes, pagerinančius komfortą ir funkcinius atsigavimo rezultatus.

Medžiagų naujovės: Protezo svoriui sumažinti ir patvarumui užtikrinti naudojamos lengvos, didelio{0}}stiprumo medžiagos (pvz., anglies-pluoštu-sustiprintos dervos).

Atvejai: vaikams augant vaikams teikiami pritaikyti protezai, kuriuos galima koreguoti, taip sumažinant ilgalaikes{0}}naudojimo išlaidas.

Tradicinius protezų lizdus dažnai reikia pritvirtinti ir reguliuoti daug kartų, nes jie gaminami iš standartizuotų formų, kurios negali visiškai užfiksuoti unikalios kiekvieno paciento liekamosios{0}}galūnės geometrijos. 3D nuskaitymas kartu su priedų gamyba pašalina šį kartotinį procesą. Didelės raiškos optinis arba lazerinis nuskaitymas užfiksuoja tikslius likusios galūnės kontūrus, spaudimui-toleruojančias ir spaudimui-jautrias sritis bei minkštųjų{6}}audinių savybes. Tada projektavimo programinė įranga sukuria lizdo geometriją, kuri optimaliai paskirsto apkrovą, apima būtinas reljefo zonas ir integruoja protezų komponentų tvirtinimo sąsajas. Gautas lizdas yra lengvesnis, patogesnis ir geriau pakabinamas nei daugelis įprastai pagamintų prietaisų. Augantiems vaikams galima ekonomiškai pagaminti modulines arba išplečiamas konstrukcijas, leidžiančias periodiškai keisti protezą be visų išlaidų kiekvieną kartą. Be apatinių{11}} ir viršutinių galūnių protezavimo, panašūs principai taikomi kaukolės ir veido protezams (ausų, nosies, orbitos atkūrimo) ir net laikiniems funkciniams įtaisams, naudojamiems reabilitacijos metu. Pacientų pasitenkinimo balai nuolat gerėja, kai lizdai yra tikrai -specifiški pacientui, o liekamasis-galūnių odos pažeidimas-viena iš dažniausiai pasitaikančių protezavimo atsisakymo priežasčių{17}}atsiranda rečiau.

Taikymo sritis: skeleto struktūros (galvos smegenų atstatymo plokštės, stuburo suliejimo narvai), sąnariai (klubo ir kelio protezai) ir kiti negyvų audinių implantai.

Privalumai: Personalizuotas dizainas: Pritaikytas pagal paciento anatominę struktūrą, sumažinant pooperacines komplikacijas (pvz., protezo atsipalaidavimą). Porėta struktūra: 3D spausdinimas įgalina biomimetines trabekulines kaulų struktūras, kurios skatina kaulo įaugimą ir pagerina implanto stabilumą.

Klinikiniai duomenys: tam tikras tyrimas parodė, kad 3D-atspausdintų akytų titano lydinio acetabulinių kaušelių kaulo įaugimo greitis padidėjo 30 proc., palyginti su tradiciniais protezais.

Galimybė sukurti sudėtingas vidines architektūras, kurių neįmanoma pasiekti įprastiniu apdirbimu ar liejimu, yra vienas iš transformuojančių ortopedinių ir kaukolės veido implantų priedų gamybos pranašumų. Poringos titano arba tantalo struktūros, kurių porų dydis, tarpusavio ryšys ir poringumo procentas kontroliuojamas, daug labiau imituoja akytojo kaulo mechanines ir biologines savybes nei kieti implantai. Tai skatina greitą kaulų integraciją, fiziologiškiau paskirsto stresą, sumažina streso apsaugos ir vėlesnės kaulų rezorbcijos riziką. Konkretūs paciento-implantai yra ypač vertingi atliekant revizines operacijas,{4}}susijusias su onkologija rekonstrukcija ir įgimtų deformacijų korekcija, kai į lentynas nepatenkantiems įtaisams dažnai reikalingas platus operacijos kontūras arba paliekami dideli liekamieji tarpai. Tokių prietaisų reguliavimo būdai daugelyje regionų yra subrendę, todėl ligoninės ir specializuoti gamintojai gali gaminti pritaikytus implantus pagal atitinkamas kokybės sistemas. Ilgalaikiai stebėjimo{10}}duomenys ir toliau kaupiami, o tai rodo mažesnį peržiūrų dažnį ir geresnius funkcinius rezultatus kruopščiai atrinktomis indikacijomis. Medžiagų mokslui tobulėjant-naudojant biologiškai aktyvias dangas, antimikrobinius paviršius ir poringumą,{13}}tikimasi, kad skirtumas tarp 3D-spausdintų ir tradicinių implantų dar labiau padidės ir bus naudingas priedų gamyba.

Techniniai tikslai: Bioaktyvių audinių (tokių kaip oda, kremzlės ir kraujagyslės) spausdinimas siekiant galutinio organo regeneracijos tikslo.

Dabartinė pažanga: ląstelių spausdinimas: naudojant bio{0}}rašalą (su gyvomis ląstelėmis ir augimo faktoriais) kuriant paprastas audinių struktūras sluoksnis po sluoksnio. Kraujagyslių proveržis: 2022 m. tam tikra komanda sėkmingai atspausdino kepenų audinį, kuriame yra kraujagyslių tinklas, kuris išgyveno daugiau nei 30 dienų.

Iššūkiai: dar reikia išspręsti tokias problemas kaip ląstelių išgyvenamumas, aprūpinimas maistinėmis medžiagomis ir imuninis atmetimas; klinikinis pritaikymas dar nėra visiškai įgyvendintas.

Nors ne{0}}gyvi implantai ir chirurginiai įrankiai jau suteikia aiškią klinikinę vertę, ilgalaikė-3D biospausdinimo vizija išlieka funkcinių gyvų audinių ir galiausiai ištisų organų gamyba. Dabartiniai tyrimai skirti optimizuoti biologinį-rašalą, kuris palaiko aukštą ląstelių gyvybingumą ekstruzijos ar rašalinio nusodinimo metu, kelių{5}}medžiagų spausdinimo strategijų kūrimui, pagal kurias skirtingų tipų ląstelės yra tiksliai išdėstytos erdvėje, ir aukų ar laikinų atraminių struktūrų, kurios sukuria perfuzuojamus kraujagyslių kanalus, kūrimą. 2022 m. demonstruotas atspausdintas kepenų darinys su integruotu kraujagyslių tinklu, kuris išliko gyvybingas daugiau nei mėnesį, yra svarbus etapas, tačiau šių konstrukcijų padidinimas iki kliniškai svarbių dydžių, kartu užtikrinant ilgalaikę funkciją, inervaciją ir integraciją su šeimininko audiniu, tebėra didžiulis mokslinis ir inžinerinis iššūkis. Lygiagretus darbas su oda, kremzlėmis, kaulais ir širdies lopais vyksta, o kai kurių produktų klinikiniai tyrimai jau pradedami{10}}, siekiant padengti žaizdas arba atkurti kremzlę. Reguliavimo, etikos ir gamybos masto problemos galiausiai nulems plataus klinikinio pritaikymo terminą. Nepaisant to, laipsniška paprastesnių biospausdintų konstrukcijų sėkmė ir toliau stiprina pasitikėjimą, kad ilgainiui bus įmanomi sudėtingesni audinių ir organų sprendimai.

Įmonių praktika: kai kurios institucijos turi sukaupusios patirties priešoperacinio modeliavimo ir chirurginių vadovų srityse ir bendradarbiavo su keliomis tretinėmis Fudžou ligoninėmis, užbaigdamos šimtus klinikinių programų.

Reikalavimai duomenims: ligoninėms tereikia pateikti KT arba MRT duomenis, kad būtų galima greitai sukurti trijų{0}}dimensijų modelius ar vadovus; procesas yra efektyvus (paprastai baigiamas per 48 valandas).

Šie praktiniai įgyvendinimai iliustruoja, kaip medicininis 3D spausdinimas perėjo už tyrimų laboratorijų ribų į įprastines klinikines paslaugas. Supaprastintos skaitmeninės darbo eigos-nuo vaizdų gavimo ir segmentavimo iki projektavimo, gamybos, sterilizavimo ir pristatymo-leidžia apyvartos laiką matuoti dienomis, o ne savaitėmis. Kokybės valdymo sistemos, medžiagų atsekamumas ir tolesnio apdorojimo Bendradarbiavimas tarp inžinierių komandų, radiologų ir chirurgų pasirodė esąs būtinas; sėkmingiausiose programose 3D spausdinimas traktuojamas kaip integruota klinikinė paslauga, o ne izoliuota techninė galimybė. Kadangi vis daugiau ligoninių įsikuria-namuose ar regioniniuose spausdinimo centruose, prieiga plečiasi, o išlaidos ir toliau mažėja, o tai dar labiau paspartina pritaikymą.

3D spausdinimo taikymas medicinos srityje išsiplėtė nuo modelio pagalbos iki funkcinių implantų. Ateityje, pasirodžius gyvų audinių spausdinimo technologijoms, tikimasi išspręsti organų trūkumo problemą. Dabartinės technologijos žymiai pagerino chirurgijos tikslumą ir pacientų gyvenimo kokybę bei yra svarbi medicinos personalizavimo varomoji jėga.

Žvelgiant į ateitį, besitęsianti pažanga medžiagų, programinės įrangos automatizavimo, daugelio medžiagų spausdinimo{0}}ir biologinio spausdinimo srityse dar labiau padidins klinikinį priedų gamybos poveikį. Reguliavimo sistemos tobulėja, kad atitiktų ir standartizuotus, ir labai suasmenintus įrenginius, o sveikatos{2}}ekonominės analizės vis labiau rodo palankų sąnaudų-efektyvumą, kai atsižvelgiama į sutrumpėjusį operacijos laiką, mažiau komplikacijų ir geresnius ilgalaikius-rezultatus. Tai, kas prasidėjo kaip daug žadantis technologinis smalsumas, tapo praktiniu įrankiu, kuris jau keičia chirurgijos planavimą, implantų dizainą ir protezų reabilitaciją{6}}ir duoda dar daugiau pažadų rytojaus regeneracinei medicinai.