Kas yra medicininė 3D spausdinimo technologija

Medicininė 3D spausdinimo technologija yra metodas, kuris naudoja 3D spausdinimą gaminant produktus, reikalingus medicinos srityje. Per pastarąjį dešimtmetį jis iš nišinės inžinerijos smalsumo tapo vienu iš labiausiai transformuojančių šiuolaikinės klinikinės praktikos įrankių, keičiantis prietaisų, implantų ir net biologinių audinių projektavimą ir gamybą. Pagrindinės jo savybės ir pranašumai yra šie:

Tiksli gamyba: ši technologija gali tiksliai atspausdinti įvairių formų ir dydžių medicinos prietaisus, instrumentus ar biologinius audinius pagal specifinius paciento poreikius. Skirtingai nuo tradicinės atimamosios gamybos, kai iš didesnio medžiagos bloko išpjaunama galutinė forma, 3D spausdinimas sukuria objektus papildomai, todėl inžinieriai ir gydytojai gali pasiekti geometrinį sudėtingumą, kuris būtų sudėtingas, brangus arba tiesiog neįmanomas naudojant įprastą apdirbimą. Pavyzdžiui, akytas titano implantas gali būti atspausdintas su vidine grotelių struktūra, sukurta imituoti natūralaus kaulo mechanines savybes, skatinant geresnę integraciją su aplinkiniais audiniais ir mažinant svorį. Kadangi kiekvienas spaudinys generuojamas iš skaitmeninio failo, o ne iš fiksuotos formos, neturi būti dviejų identiškų išėjimų-kiekvienas pacientas iš principo gali gauti prietaisą, sukurtą pagal savo anatomiją, iki milimetro dalių.

Šie modeliai sukuriami naudojant kompiuterinę{0}}projektavimo programinę įrangą ir konvertuojami į formatą, kurį supranta 3D spausdintuvai, o po to medžiagos nusodinamos sluoksnis po sluoksnio, kad galiausiai susidarytų trimatis kietas objektas. Procesas paprastai prasideda medicininiu vaizdavimu-KT skenavimu, MRT arba 3D paviršiaus nuskaitymu-, kuriame išsamiai fiksuojama paciento anatomija. Tada šie vaizdo duomenys apdorojami ir konvertuojami į skaitmeninį 3D modelį, kurį dažnai patobulina biomedicinos inžinieriai arba specializuota programinė įranga, kad išlygintų paviršius, ištaisytų artefaktus ir optimizuotų spausdinimo geometriją. Kai modelis baigiamas, jis supjaustomas į šimtus ar tūkstančius plonų skerspjūvio sluoksnių, o spausdintuvas sukuria objektą po vieną sluoksnį, sulydydamas, sukietėdamas arba nusodindamas medžiagą pagal projektą. Ši darbo eiga efektyviai paverčia unikalius paciento anatominius duomenis apčiuopiamu fiziniu objektu, panaikindama atotrūkį tarp diagnostikos vaizdavimo ir fizinės intervencijos tokiu būdu, kuris anksčiau buvo neįsivaizduojamas.

Platus pritaikymas: medicinos srityje medicinos 3D spausdinimo technologija plačiai naudojama gaminant pritaikytus protezus, dantis, kaulų implantus ir konkrečius paciento modelius, naudojamus chirurginiam planavimui. Be šių pagrindinių naudojimo būdų, technologija išsiplėtė į įspūdingą specialybių spektrą. Odontologijoje 3D spausdinimas naudojamas ne tik vainikams ir dantų protezams, bet ir skaidriems ortodontiniams lygintuvams, chirurginiams implantų įdėjimo vadovams ir net dantų atkūrimo formoms. Ortopedijoje chirurgai pasikliauja individualiais pjovimo kreiptuvais ir stuburo implantais, pritaikytais tiksliai paciento kreivumui ir kaulų tankiui. Kardiologijoje spausdinti širdies modeliai, -pagaminti tiesiogiai iš paties paciento vaizdo duomenų-, leidžia gydytojams fiziškai laikyti sudėtingo įgimto defekto kopiją prieš patekdami į operacinę, o tai padeda numatyti iššūkius, kurių tiesiog negali atskleisti dvimatis skenavimas. Klausos aparatų gamintojai iš tikrųjų buvo vieni iš pirmųjų medicininio 3D spausdinimo taikytojų, o šiandien didžioji dauguma ausyse esančių klausos aparatų korpusų gaminami tokiu būdu. Netgi farmacijos srityje mokslininkai eksperimentuoja su 3D-spausdintomis tabletėmis, kurios gali būti sukurtos taip, kad vaistai išleistų kontroliuojamu greičiu arba sujungtų kelis vaistus į vieną pritaikytą dozę, atveriant duris labiau individualiems receptams skirtiems vaistams.

Dėl 3D spausdinimo pritaikytų medicinos prietaisų gamybos ciklas buvo labai sutrumpintas; Pavyzdžiui, individualų protezavimą dabar galima atlikti per kelias dienas ar net valandas, o tai labai pagerina pacientų gyvenimo kokybę. Šis greičio pranašumas nėra vien patogumo reikalas,{2}}jis turi realią klinikinę reikšmę. Pavyzdžiui, vaikas, netekęs galūnės, greitai auga, o tradiciniai protezų gamybos metodai dažnai sunkiai žengia koja kojon su šiuo augimu, todėl jauni pacientai kelias savaites laukia tinkamai pritaikyto pakaitalo . 3D spausdinimas leidžia klinikose gaminti lengvus, nebrangius ir greitai keičiamus protezo komponentus, o tai reiškia, kad augantis vaikas gali gauti atnaujintą protezą kur kas dažniau, nei kitu atveju būtų ekonomiškai įmanoma. Panašiai traumų ir neatidėliotinų rekonstrukcinių atvejų, kai dėl sužalojimo pakito paciento anatomija, galimybė sukurti ir atspausdinti chirurginį vadovą ar implantą per kelias dienas, -o ne per kelias savaites, reikalingas tradiciniam individualiam gaminimui-, gali reikšmingai sutrumpinti bendrą paciento gydymo laiką ir sumažinti fizinę bei psichologinę ilgalaikės hospitalizacijos naštą.

Gydytojai gali naudoti 3D -spausdintus pacientų modelius chirurginiam modeliavimui, todėl jie gali sudaryti tikslesnius chirurgijos planus ir padaryti sudėtingas operacijas tikslesnes ir įmanomesnes. Chirurgų komandos vis dažniau naudoja šias spausdintas anatomines kopijas ne tik planuodamos, bet ir repeticijos{3}}, žingsnis po žingsnio atlikdamos tikrąją procedūrą pagal modelį, kuris atkartoja tikslius konkretaus paciento kontūrus, naviko vietą arba kraujagyslių kelią. Tai ypač vertinga tais atvejais, kai yra susiję su retais įgimtais anomalijomis, sudėtingomis naviko rezekcijomis šalia kritinių struktūrų arba rekonstrukcinėmis procedūromis po sunkios traumos, kai niekada nėra dviejų visiškai vienodų atvejų. Ligoninės pranešė, kad prieš-operaciją naudojant specifinius paciento-3D modelius, galima sutrumpinti operacijos laiką, sumažinti komplikacijų riziką ir pagerinti bendravimą tiek chirurgų komandoje, tiek su pacientu ir jo šeima, nes fizinį modelį ne-specialistui dažnai lengviau suprasti nei daugybę skaitmeninių nuskaitymų. Mokymo ligoninėse šie spausdinti modeliai atlieka ir mokomąją funkciją, suteikdami stažuotojams chirurgams galimybę{11}}pajusti retus anatominius pokyčius, kurie kitu atveju per visą karjerą galėtų susidurti tik keletą kartų.

Medicininiam 3D spausdinimui naudojamų medžiagų asortimentas labai išsiplėtė kartu su jo pritaikymais. Biologiškai suderinami polimerai, medicininio -klasio titano ir kobalto-chromo lydiniai, keramika ir vis dažniau biologinis-rašalas, sudarytas iš gyvų ląstelių ir palaikančių hidrogelių, dabar yra medicininio 3D spausdinimo įrankių rinkinio dalis. Kiekviena medžiaga parenkama pagal numatomo naudojimo poreikius: standūs metalai laikantiems ortopediniams implantams, lankstūs fotopolimerai anatominiams modeliams, skirti imituoti minkštiesiems audiniams, ir specializuotos dervos chirurginiams kreiptuvams, kurios turi atlaikyti sterilizaciją. Reguliavimo priežiūra taip pat vystėsi kartu su technologijomis. Daugelio šalių sveikatos priežiūros institucijos sukūrė konkrečias 3D{10}}spausdintų medicinos prietaisų vertinimo ir patvirtinimo sistemas, atspindinčias pažadą ir atsakomybę, susijusią su labai individualizuotų produktų gamyba priežiūros vietoje.

Ateities perspektyvos: technologijai toliau tobulėjant ir mažėjant sąnaudoms, tikimasi, kad medicininis 3D spausdinimas taps plačiau paplitęs ir labiau pritaikytas asmeniniams poreikiams. Tikėtina, kad būsimą plėtrą nulems pažanga biospausdinimo srityje, kai mokslininkai stengiasi spausdinti vis sudėtingesnes audinių struktūras, įskaitant kraujagysles turinčius odos transplantatus, kremzles ir nedidelio masto funkcines audinių konstrukcijas, naudodami paties paciento ląsteles, kad sumažintų imuninės sistemos atmetimo riziką. Kai kurios tyrimų grupės jau tiria kelių{4}}medžiagų ir kelių{5}}ląstelių-tipo spausdinimą, kuris leistų vienoje spausdintoje struktūroje sujungti skirtingus audinių sluoksnius-pvz., odą, raumenis ir kraujagysles-į vieną integruotą konstrukciją, o ne surinkti juos atskirai. Taip pat didėja susidomėjimas taškiniu-pa-priežiūros spausdinimu, kai ligoninės išlaiko savo-vidaus spausdinimo galimybes, leidžiančias chirurgams ir protezuotojams vietoje suprojektuoti ir pagaminti individualų įrenginį per kelias valandas, o ne pasikliauti išorinėmis gamybos priemonėmis ir pristatymo bei logistikos vėlavimais. Netgi gali būti, kad žmogaus organai ilgainiui gali būti atspausdinti, o tai atneštų pažangą tokiose srityse kaip organų transplantacija. Nors visiškai funkcionuojantys, persodinami organai išlieka ilgalaikiu tyrimų tikslu, o ne trumpalaike klinikine realybe, audinių inžinerijos, biologinio-rašalo vystymosi ir vaskuliarizacijos metodų pažangos tempas rodo, kad atotrūkis tarp šiandieninių anatominių modelių ir rytoj spausdintų gyvų audinių gali ir toliau mažėti. Jei ši vizija būtų įgyvendinta, medicininis 3D spausdinimas būtų pakeistas nuo technologijos, kuri pritaiko ir paspartina esamas priežiūros formas, prie technologijos, galinčios tiesiogiai spręsti pasaulinį donorų organų trūkumą{21}}. Tai pokytis, turintis didelių pasekmių transplantacijos medicinos praktikai visame pasaulyje.

Apibendrinant šias charakteristikas, -tiksli, pacientui- būdinga gamyba; skaitmeninė{2}}į-fizinė darbo eiga, pagrįsta medicininiu vaizdavimu ir CAD modeliavimu; platus ir besiplečiantis klinikinis pritaikymas; labai sutrumpėjo gamybos terminai; ir galimybė patobulinti chirurginį planavimą naudojant apčiuopiamus, -konkrečius pacientų modelius-paaiškina, kodėl medicininis 3D spausdinimas tapo viena greičiausiai{7}}augančių medicinos technologijų sričių. Medžiagų mokslui, biologinio spausdinimo tyrimams ir reguliavimo sistemoms toliau bręstant, ši technologija yra pasirengusi dar labiau peržengti prietaisų ir modelių ribas prie tikrai personalizuotos ir galiausiai regeneruojančios medicinos.