Kas ir medicīniskā 3D drukas tehnoloģija

Medicīniskā 3D drukas tehnoloģija ir metode, kas izmanto 3D drukāšanu, lai ražotu produktus, kas nepieciešami medicīnas jomā. Pēdējo desmit gadu laikā tas ir kļuvis no nišas inženierijas zinātkāres par vienu no pārveidojošākajiem instrumentiem mūsdienu klīniskajā praksē, pārveidojot to, kā tiek izstrādātas un ražotas ierīces, implanti un pat bioloģiskie audi. Tās galvenās īpašības un priekšrocības ir šādas:

Precīza ražošana: šī tehnoloģija var precīzi izdrukāt dažādu formu un izmēru medicīnas ierīces, instrumentus vai bioloģiskos audus atbilstoši pacienta īpašajām vajadzībām. Atšķirībā no tradicionālās subtraktīvās ražošanas, kas izgriež galīgo formu no lielāka materiāla bloka, 3D drukāšana veido objektus aditīvi, ļaujot inženieriem un ārstiem sasniegt ģeometrisku sarežģītību, kas būtu sarežģīta, dārga vai vienkārši neiespējama, izmantojot parasto apstrādi. Piemēram, porainu titāna implantu var apdrukāt ar iekšējo režģa struktūru, kas veidota tā, lai atdarinātu dabiskā kaula mehāniskās īpašības, veicinot labāku integrāciju ar apkārtējiem audiem, vienlaikus samazinot svaru. Tā kā katra izdruka tiek ģenerēta no digitāla faila, nevis no fiksētas veidnes, divām izvadēm nav jābūt identiskām-katrs pacients principā var saņemt ierīci, kas īpaši izveidota atbilstoši viņa anatomijai, līdz pat milimetra daļām.

Šie modeļi tiek izveidoti, izmantojot-datorizētu projektēšanas programmatūru, un pārveidoti formātā, ko var saprast 3D printeri. Pēc tam materiāli tiek uzklāti slāni pa slānim, lai galu galā izveidotu trīsdimensiju cietu objektu. Process parasti sākas ar medicīnisko attēlveidošanu-CT skenēšanu, MRI vai 3D virsmas skenēšanu-, kas detalizēti atspoguļo pacienta anatomiju. Šie attēlveidošanas dati pēc tam tiek apstrādāti un pārveidoti digitālā 3D modelī, ko bieži uzlabo biomedicīnas inženieri vai specializēta programmatūra, lai izlīdzinātu virsmas, koriģētu artefaktus un optimizētu drukāšanas ģeometriju. Kad modelis ir pabeigts, tas tiek sadalīts simtiem vai tūkstošiem plānu šķērsgriezuma slāņu, un printeris veido objektu pa vienam slānim, sakausējot, sacietējot vai uzklājot materiālu atbilstoši projektam. Šī darbplūsma efektīvi pārvērš pacienta unikālos anatomiskos datus par taustāmu fizisko objektu, novēršot plaisu starp diagnostisko attēlveidošanu un fizisko iejaukšanos tādā veidā, kas iepriekš nebija iedomājams.

Plašs pielietojums: medicīnas jomā medicīniskās 3D drukāšanas tehnoloģija tiek plaši izmantota, lai ražotu pielāgotas protēzes, zobus, kaulu implantus un pacientu -specifiskus modeļus, ko izmanto ķirurģiskai plānošanai. Papildus šiem galvenajiem lietojumiem tehnoloģija ir paplašinājusies līdz iespaidīgam specialitāšu klāstam. Zobārstniecībā 3D drukāšanu izmanto ne tikai kroņiem un protēzēm, bet arī caurspīdīgiem ortodontiskajiem izlīdzināšanas līdzekļiem, ķirurģiskām vadotnēm implantu ievietošanai un pat drukātām veidnēm zobu atjaunošanai. Ortopēdijā ķirurgi paļaujas uz pielāgotām griešanas vadotnēm un mugurkaula implantiem, kas pielāgoti pacienta precīzam izliekumam un kaulu blīvumam. Kardioloģijā drukāti sirds modeļi,{7}}kas iegūti tieši no pacienta attēlveidošanas datiem,{8}}ļauj ārstiem fiziski paturēt kāda sarežģīta iedzimta defekta kopijas, pirms viņi nonāk operāciju zālē, palīdzot viņiem paredzēt problēmas, kuras vienkārši nevar atklāt divdimensiju skenēšana. Dzirdes aparātu ražotāji patiesībā bija vieni no pirmajiem medicīnas 3D drukāšanas izmantotājiem, un mūsdienās lielākā daļa pielāgoto ausīs{12}}dzirdes aparātu korpusu tiek ražoti šādā veidā. Pat farmācijas jomā pētnieki eksperimentē ar 3D{15}}drukātām tabletēm, kuras var izstrādāt tā, lai tās atbrīvotu zāles kontrolētā ātrumā vai apvienotu vairākas zāles vienā pielāgotā devā, tādējādi paverot durvis personalizētākām zālēm recepšu līmenī.

Pateicoties 3D drukāšanai, pielāgotu medicīnisko ierīču ražošanas cikls ir ievērojami saīsināts; piemēram, pielāgotu protezēšanu tagad var pabeigt dažu dienu vai pat stundu laikā, ievērojami uzlabojot pacientu dzīves kvalitāti. Šī ātruma priekšrocība nav tikai ērtības jautājums,{2}}tai ir reāla klīniska nozīme. Piemēram, bērns, kurš ir zaudējis ekstremitāti, ātri aug, un tradicionālajām protēžu izgatavošanas metodēm bieži ir grūti sekot līdzi šai izaugsmei, liekot jauniem pacientiem nedēļām ilgi gaidīt, līdz tiks pareizi pielāgota. 3D druka, ļauj klīnikās ražot vieglas, zemas{5}}cenas un ātri nomaināmas protezēšanas sastāvdaļas, kas nozīmē, ka augošs bērns var saņemt atjauninātu protezēšanas līdzekli daudz biežāk, nekā citādi būtu iespējams ekonomiski piemērotu. Līdzīgi traumu un ārkārtas rekonstruktīvos gadījumos, kad pacienta anatomija ir mainījusies traumas dēļ, spēja izstrādāt un izdrukāt ķirurģisko ceļvedi vai implantu dažu dienu laikā,{7}}nevis nedēļās, kas nepieciešamas tradicionālai pasūtījuma izgatavošanai-, var būtiski saīsināt pacienta kopējo ārstēšanas laiku un samazināt ilgstošas ​​hospitalizācijas fizisko un psiholoģisko slogu.

Ārsti var izmantot 3D-izdrukātus pacientu modeļus ķirurģiskai simulācijai, ļaujot viņiem izstrādāt precīzākus ķirurģiskos plānus un padarot sarežģītas operācijas precīzākas un izpildāmākas. Ķirurģiskās komandas arvien vairāk izmanto šīs drukātās anatomiskās kopijas ne tikai plānošanai, bet arī mēģinājumos-praktizēt faktisku procedūru, soli pa solim pēc modeļa, kas atkārto precīzas konkrēta pacienta kontūras, audzēja atrašanās vietu vai asinsvadu ceļu. Tas ir īpaši vērtīgi gadījumos, kas saistīti ar retām iedzimtām anomālijām, sarežģītām audzēju rezekcijām kritisku struktūru tuvumā vai rekonstruktīvām procedūrām pēc smagas traumas, kad nav divu vienādu gadījumu. Slimnīcas ir ziņojušas, ka pirms-ķirurģijas mēģinājumi, izmantojot pacienta-specifiskus 3D modeļus, var samazināt darbības laiku, samazināt komplikāciju risku un uzlabot saziņu gan ķirurģijas komandā, gan ar pacientu un viņa ģimeni, jo fizisko modeli, kas nav speciālists, bieži vien ir daudz vieglāk saprast nekā digitālo skenējumu kaudzi. Mācību slimnīcās šie drukātie modeļi pilda arī izglītojošu funkciju, sniedzot ķirurgiem apmācāmajiem{11}}retas anatomiskas variācijas, citādi viņi visas karjeras laikā varētu saskarties tikai dažas reizes.

Medicīniskajā 3D drukāšanā izmantoto materiālu klāsts ir ievērojami paplašinājies līdztekus tās lietojumiem. Bioloģiski saderīgi polimēri, medicīniska -titāna un kobalta-hroma sakausējumi, keramika un arvien vairāk bio-tintes, kas sastāv no dzīvām šūnām un atbalstošiem hidrogēliem, tagad ir daļa no medicīniskās 3D drukāšanas rīku komplekta. Katrs materiāls tiek izvēlēts atbilstoši tā paredzētā lietojuma prasībām: cietie metāli nesošiem ortopēdiskiem implantiem, elastīgi fotopolimēri anatomiskiem modeļiem, kas paredzēti mīksto audu atdarināšanai, un specializēti sveķi ķirurģiskām vadotnēm, kurām jāiztur sterilizācija. Līdztekus tehnoloģijai ir attīstījusies arī normatīvā uzraudzība, un daudzu valstu veselības aizsardzības iestādes izstrādā īpašus ietvarus 3D{10}}drukāto medicīnas ierīču novērtēšanai un apstiprināšanai, kas atspoguļo gan solījumus, gan atbildību, kas saistīta ar ļoti individualizētu produktu ražošanu aprūpes vietā.

Nākotnes perspektīvas: tā kā tehnoloģija turpina attīstīties un izmaksas turpina samazināties, sagaidāms, ka medicīniskā 3D drukāšana kļūs arvien izplatītāka un personalizētāka. Nākotnes attīstību, visticamāk, noteiks sasniegumi biodrukāšanā, kur pētnieki strādā, lai izdrukātu arvien sarežģītākas audu struktūras, tostarp vaskularizētus ādas transplantātus, skrimšļus un maza mēroga funkcionālas audu konstrukcijas, izmantojot pacienta paša šūnas, lai samazinātu imūnās atgrūšanas risku. Dažas pētnieku grupas jau pēta vairāku{4}}materiālu un vairāku{5}}šūnu-tipu drukāšanu, kas ļautu vienai drukātai struktūrai iekļaut dažādus audu slāņus-piemēram, ādu, muskuļus un asinsvadus-vienā integrētā konstrukcijā, nevis montēt tos atsevišķi. Pieaug arī interese par-no-aprūpes drukāšanu, kur slimnīcas uztur savas-iekšējās drukāšanas iespējas, ļaujot ķirurgiem un protēzistiem izstrādāt un ražot pielāgotu ierīci-uz vietas dažu stundu laikā, nevis paļauties uz ārējām ražošanas iekārtām un aizkavēšanos, kas saistīta ar piegādi un loģistiku. Ir pat iespējams, ka cilvēka orgāni galu galā var tikt izdrukāti, radot izrāvienu tādās jomās kā orgānu transplantācija. Lai gan pilnībā funkcionējoši, transplantējami orgāni joprojām ir ilgtermiņa pētniecības mērķis, nevis tuvākā laika klīniskā realitāte, audu inženierijas, bio-tintes attīstības un vaskularizācijas metožu progresa temps liecina, ka atšķirība starp mūsdienu anatomiskajiem modeļiem un rītdienas drukātajiem dzīviem audiem var turpināties samazināties. Ja šī vīzija tiktu īstenota, medicīniskā 3D drukāšana pārietu no tehnoloģijas, kas pielāgo un paātrina esošos aprūpes veidus, uz tādu, kas spēj tieši risināt globālo donoru orgānu deficītu-, kas būtiski ietekmē to, kā transplantācijas medicīna tiek praktizēta visā pasaulē.

Kopumā šīs īpašības-precīza, pacientam-specifiska ražošana; digitālā{2}}uz-fiziskā darbplūsma, kas balstīta uz medicīnisko attēlveidošanu un CAD modelēšanu; plašs un paplašinās klīniskais pielietojums; krasi saīsināti ražošanas termiņi; un spēja uzlabot ķirurģisko plānošanu, izmantojot taustāmus,{4}}pacientiem specifiskus modeļus-, kas izskaidro, kāpēc medicīniskā 3D drukāšana ir kļuvusi par vienu no visstraujāk{7}}augošajām medicīnas tehnoloģiju jomām. Materiālzinātnei, biodrukas pētījumiem un normatīvajiem regulējumiem turpina attīstīties, tehnoloģija ir gatava virzīties vēl tālāk ārpus ierīcēm un modeļiem uz patiesi personalizētu un galu galā atjaunojošu medicīnu.