Как 3D -печать настраивает медицинские имплантаты и инструменты

Медицинские имплантаты и инструменты часто производятся стандартных размеров, но этот подход имеет ограничения, поскольку не существует двух абсолютно одинаковых пациентов. Если устройство не идеально подходит организму человека, это может привести к увеличению продолжительности операции или повышению риска осложнений. 3D-печать предлагает решение, позволяющее создавать медицинские устройства, соответствующие анатомии человека.В этой статье объясняется, как эта технология используется для создания индивидуальных имплантатов, хирургических инструментов и анатомических моделей, которые улучшают здравоохранение.

Основной процесс: от сканирования пациента до физического решения

Создание индивидуального медицинского устройства с помощью 3D-печати представляет собой простой процесс, который преобразует медицинское сканирование пациента в готовый продукт, готовый к использованию в хирургии.

Шаг 1: Сканирование пациента

МРТ или КТ высокой чёткости — это первый шаг в процессе. Эти исследования позволяют получить сотни изображений тела пациента, которые позволяют врачам точно определить размер кости, органа или кровеносного сосуда. Именно на основе этой подробной информации и строится устройство, разработанное специально для вас.

Шаг 2: Создание 3D-дизайна

Далее, медицинские инженеры используют специализированное программное обеспечение САПР, такое как Mimics или 3-matic, для преобразования 2D-изображений сканирования в точную 3D-цифровую модельВместе с хирургической бригадой они используют эту модель, чтобы убедиться, что индивидуальный имплантат или хирургический шаблон соответствует телу пациента с точностью до миллиметра.

Шаг 3: Печать устройства

Последний файл дизайна отправляется в 3D-принтер медицинского класса, который создает объект послойно. Применение определяет используемый материал. Прочные титановые металлы часто используются для изготовления постоянных имплантатов, поскольку они прочны и биосовместимы. Полимеры, такие как ПЭЭК, также могут использоваться, поскольку они могут выполнять функцию кости. Анатомические модели и хирургические шаблоны часто изготавливаются из биосовместимых смол. Если материал — металл, метод печати Селективное лазерное плавление (СЛП), а если материал - пластик, то это Стереолитография (SLA).

Шаг 4: Завершение и стерилизация

После печати гаджет проходит финальную обработку. Это включает в себя удаление всех поддерживающих структур, выравнивание поверхности и, в некоторых случаях, нагревание для повышения её прочности. Затем изделие тщательно очищается и стерилизуется гамма-излучением или автоклавом, чтобы гарантировать его безопасность для использования в операционной.

Применение 1: Индивидуальные медицинские имплантаты

Одно из самых важных применений 3D-печать в медицине — создание индивидуальных имплантатов, идеально подходящих пациенту, что имеет решающее значение для успешного долгосрочного результата.

Ортопедические имплантаты

Стандартные эндопротезы коленных, тазобедренных и плечевых суставов доступны в ограниченном количестве размеров. Если анатомические особенности пациента не соответствуют одному из этих стандартных размеров, посадка может быть неточной. 3D-печать Эта проблема решается путем создания имплантата непосредственно на основе данных компьютерной томографии пациента. Это обеспечивает точное прилегание имплантата к кости, что повышает стабильность и снижает нагрузку на окружающую область. Разработчики также могут включать в имплантат специальные пористые структуры, которые позволяют кости пациента со временем врастать в имплантат. Этот процесс, известный как остеоинтеграция, создает более прочное и постоянное соединение.

Основные преимущества индивидуальных ортопедических имплантатов включают в себя:

• Точная посадка, минимизирующая нагрузку на кость.
• Улучшенная стабильность для лучшей долгосрочной производительности.
• Снижение риска расшатывания или отторжения имплантата.
• Лучшая остеоинтеграция благодаря пористым поверхностям.

Реконструкция краниомаксиллофациальной области (КМФ)

Эта технология также чрезвычайно ценна в хирургии ЧМЛ, которая включает в себя восстановление лица, челюсти и черепа после травм или удаления опухоли. Раньше хирургам приходилось вручную сгибать и формировать стандартные металлические пластины во время операции, чтобы восстановить эти области. Это занимало много времени, и результаты не всегда были идеальными. Теперь, используя описанный ранее процесс, можно заранее напечатать индивидуальный имплантат, который точно соответствует дефекту.. Это не только сокращает продолжительность операции, но и приводит к значительно лучшим функциональным и эстетическим результатам для пациента.

Применение 2: Индивидуальные хирургические инструменты

Помимо имплантатов, 3D-печать используется для создания индивидуальных инструментов которые помогают хирургам проводить операции более безопасно и эффективно.

Хирургические руководства, адаптированные для конкретных пациентов

Это индивидуальные шаблоны, которые устанавливаются непосредственно на кость пациента во время операции. Направляющие имеют пазы или отверстия, которые направляют сверло или пилу хирурга, обеспечивая исключительную точность разрезов и установки винтов. Например, при эндопротезировании коленного сустава направляющая обеспечивает разрез кости под идеальным углом для нового сустава. Это позволяет сократить продолжительность операции и уменьшить инвазивность, а также сохранить как можно больше здоровой кости, чему способствует точность начального сканирования и этапа проектирования.

Хирургические инструменты, изготовленные по индивидуальному заказу

Хирурги также могут печатать инструменты, такие как щипцы, зажимы и рукоятки скальпелей, предназначенные для конкретной операции или для собственных нужд. Например, хирург может разработать рукоятку скальпеля с индивидуальной формой захвата, чтобы снизить усталость во время длительной операции. Для сложной процедуры, например, удаления опухоли в труднодоступном месте, можно разработать и напечатать ретрактор уникальной формы. Такой уровень персонализации повышает комфорт и контроль хирурга, что способствует улучшению результатов операции.

Приложение 3: Анатомические модели для планирования и обучения

Распечатывая точные копии анатомических структур пациента, хирурги, студенты и пациенты могут лучше понимать сложные медицинские ситуации.

Хирургическое планирование и репетиция

Хирурги могут распечатать модель сложного перелома или опухоли в масштабе 1:1. Физическая модель в руках обеспечивает гораздо более чёткое понимание анатомии пациента, чем двухмерное изображение на экране. Это позволяет хирургической бригаде увидеть взаимосвязь опухоли с близлежащими кровеносными сосудами, спланировать оптимальный доступ и даже заранее отработать сложные этапы операции. Такая подготовка помогает избежать непредвиденных обстоятельств в операционной.

Медицинское образование

Модели, напечатанные на 3D-принтере, также являются ценными учебными пособиями для студентов-медиков.Вместо того, чтобы полагаться только на учебники, студенты могут держать в руках и изучать реалистичные модели различных органов и патологий. Это обеспечивает наглядный, интуитивно понятный и эффективный способ изучения анатомии. Модели облегчают понимание сложных структур и помогают студентам подготовиться к реальной клинической практике.

Общение с пациентами

Для пациентов может быть сложным понять диагноз или запланированную операцию. Врач может использовать 3D-печатную модель части тела пациента, чтобы объяснить проблему и план лечения.. Осмотр и ношение модели помогает пациентам разобраться в сложной медицинской информации, задавая более точные вопросы и чувствуя большую уверенность в своих решениях.

Современные проблемы медицинской 3D-печати

Несмотря на значительные преимущества создания индивидуальных имплантатов, хирургических инструментов и анатомических моделей, широкое использование 3D-печати в медицине сталкивается с рядом практических проблем.

• Сложные нормативные препятствияПолучение одобрения на устройства, предназначенные для пациентов, от таких агентств, как FDA, — сложный и длительный процесс. Уникальность каждого устройства, разработанного по индивидуальному заказу, затрудняет стандартизацию, создавая серьёзное препятствие для быстрого вывода новых приложений на рынок.
• Высокие затраты и неопределенность возмещения: Медицинские 3D-принтеры Специализированное программное обеспечение требует значительных первоначальных инвестиций. Кроме того, политика возмещения расходов страховыми компаниями на устройства, изготовленные по индивидуальному заказу, пока не устоялась, что делает доступ к ним финансовым затруднением для больниц и пациентов.
• Материальные ограничения: Ассортимент доступных биосовместимых материалов, обладающих идеальными механическими свойствами (такими как прочность и гибкость), по-прежнему ограничен. Существует острая необходимость в более широкий выбор материалов, особенно современные полимеры, которые могут безопасно усваиваться организмом с течением времени.
• Нехватка экспертизы: Нехватка специалистов, обладающих необходимыми междисциплинарными навыками в области медицины, инженерии и цифрового дизайна. Создание эффективных команд и развитие необходимых специалистов требуют новых учебных программ, которые пока не получили широкого распространения.

Эти вопросы, связанные с регулированием, стоимостью, материалами и экспертизой, являются основными препятствиями для более широкого внедрения. Прогресс в этих областях необходим для того, чтобы персонализированные медицинские устройства стали повседневной и доступной частью здравоохранения.

Улучшите уход за пациентами с помощью 3D-печати!

3D-печать в медицине — это не просто новый способ производства. Она способствует созданию нового стандарта здравоохранения, ориентированного на индивидуальность.Обеспечивая возможность установки индивидуальных имплантатов, более точных операций и более качественной подготовки, эта технология напрямую способствует улучшению результатов лечения пациентов. Дальнейшее развитие этой области указывает на будущее, в котором лечение станет более точным, эффективным и персонализированным, чем когда-либо прежде.

4 часто задаваемых вопроса о медицинской 3D-печати

В1: Могут ли быть отвергнуты органы, напечатанные на 3D-принтере?

А: В теории нет.Главное преимущество биопечати заключается в использовании собственных клеток пациента для создания органа. Поскольку орган создается из собственного биологического материала пациента, иммунная система должна распознать его и не вызывать отторжения. Это исключит необходимость в иммунодепрессантах, которые требуются при традиционной трансплантации.

В2: Сколько времени занимает биопечать органа?

А: Процесс длительный и варьируется в зависимости от сложности органа. Хотя первоначальная печать каркаса может быть относительно быстрой, наиболее трудоёмким этапом является его созревание. Напечатанная структура должна находиться в биореакторе в течение недель или месяцев, чтобы клетки могли вырасти в функциональную ткань.

В3: Можно ли напечатать на 3D-принтере человеческое сердце?

А: Еще нетХотя полностью функциональное человеческое сердце, пригодное для трансплантации, пока не напечатано, исследователи создали миниатюрные модели сердца с живыми, пульсирующими клетками. Эти модели в настоящее время представляют ценность для исследований и испытаний лекарств, но создание полноценного сердца для трансплантации займет ещё много лет.

В4: Какие органы успешно подвергаются 3D-печати?

А: Успех был достигнут в основном с более простыми тканями и полыми структурами.Учёные уже много лет умеют печатать кожу и хрящи. Ещё более впечатляющим является тот факт, что пациентам успешно трансплантировали мочевые пузыри и трахеи (трахеостомы), изготовленные на 3D-принтере. Однако печать сложных монолитных органов, таких как почки или печень, остаётся серьёзной проблемой.