OSOZ: Druk 3D w medycynie – innowacje stające się standardem

osoz

Artykuł oryginalnie ukazał się w czasopiśmie OSOZ w nr 2/2016 (luty 2016)

Początki druku 3D

Druk trójwymiarowy pojawił się po raz pierwszy w latach 80 XX wieku. Opracowano takie technologie jak stereolitografia (SLA), wykorzystujące laser do zestalania żywicy fotopolimerowej czy selektywne spiekanie laserem (SLS), wykorzystujące do wytwarzania materiał w postaci proszku. Do opisu technik początkowo używano terminu szybkie prototypowanie (rapid prototyping, RP). Uważano, że RP znajdzie największe zastosowanie w wytwarzaniu pojedynczych modeli produktów na potrzeby przemysłowe. W ciągu kilku lat rozwinęło się wiele technik, które zostały objęte ochroną patentową.

Obecnie, druk przestrzenny, zwany też addytywnym wytwarzaniem (additive manufacturing), przeżywa niesamowity rozwój. Jest to związane z wygasaniem patentów a przez to zwiększeniem dostępności technologii 3D. Wiele drukarek, np. bazujących na metodzie osadzania stopionego materiału (FDM), znalazło się w zasięgu finansowym przeciętnego człowieka. To właśnie dziś, niewielkim kosztem, naukowcy i innowatorzy mogą swobodnie prowadzić swoje badania wykorzystując konsumenckie drukarki.

Metody druku przestrzennego

Druk przestrzenny oferuje wiele metod pozwalających otrzymać trójwymiarowy model. W medycynie, znajduje zastosowanie kilka z nich.

  • Osadzanie stopionego materiału (Fused Deposition Modelling, FDM)
  • Stereolitografia (Stereolithography, SLA)
  • Selektywne Spiekanie Laserem (Selective Laser Sintering, SLS)
  • PolyJet
  • bezpośrednie spiekanie laserem proszków metali (Direct Metal Laser Sintering, DMLS)
  • Stapianie Wiązką Elektronów (Electrone Beam Melting, EBM)

Bardzo istotne jest, żeby przy wyborze metody na potrzeby medycyny wziąć po uwagę kilka czynników. Technologie oferują różną szybkość jak i cenę druku, a niektóre możliwość sterylizacji modelu. Istotną sprawę stanowi materiał, który wykorzystuje urządzenie – mogą to być materiały biodegradowalne, żywice, stopy metali, tytan, różnorodne polimery.

Powstawanie obiektu krok po kroku

Wydruk obiektu, np. czaszki ludzkiej przebiega w kilku etapach. Aby stworzyć model przestrzenny musimy dysponować danymi medycznymi. Są to zazwyczaj skany uzyskane przez radiologów za pomocą tomografii komputerowej lub metodą rezonansu magnetycznego. Dane te są następnie odpowiednio przekształcane do formy plasterkowej, by uzyskać model 3D zapisany w odpowiednim formacie, np. .stl dla stereolitografii. Najpopularniejszym narzędziem jest program Mimics dostarczany przez firmę Materialise, choć na rynku funkcjonuje kilka innych, np. Amira i 3D-doctor. Uzyskany model jest drukowany przez urządzenie i może być użyty od razu, lub wymagać dodatkowej obróbki.

Rynek w liczbach

Wg szacunków firmy Canalys (2015), wartość rynku związanego z drukiem 3D (sprzęt, materiały oraz usługi) w 2014 roku wyniosła 3,3 miliarda dolarów. Rynek stale rośnie i prognozuje się, że w 2020 roku osiągnie on poziom 20,2 miliarda dolarów. Jak donosi firma Deloitte (2015), segment medyczny stanowi ok 15% całej branży druku 3D. Największe znaczenie obecnie maja tutaj rozwiązania stosowane w stomatologii oraz audiologii (aparaty słuchowe). Przytoczone dane nie zaskakują. Ze względu na elastyczność technologii, stwarza ona możliwość tworzenia spersonalizowanych rozwiązań dla wymagających pacjentów.

Dlaczego druk 3D i medycyna?

Najważniejszym powodem jest wspomniana elastyczność. Klasyczne metody wytwarzania mają swoje ograniczenia i często nie pozwalają na tworzenie bardzo skomplikowanych elementów w obrębie jednego procesu. Obecnie dysponujemy drukarkami, które operują materiałami podporowymi czy wypełniającymi, które są łatwo usuwalne, np. poprzez wymycie specjalnymi rozpuszczalnikami. Pozwala to na tworzenie skomplikowanych przestrzennie, warstwowych i bardzo szczegółowych wydruków. Zarówno czas jak i koszt wykonania na drukarce jednego obiektu często jest dużo korzystniejszy w porównaniu do metod przemysłowych.

Polska a druk 3D

Niestety, świadomość o możliwościach technik przyrostowych jest niska w środowisku medycznym. Nie oznacza to jednak, że nie są one wykorzystywane. W wielu ośrodkach w kraju prowadzone są innowacyjne projekty badawcze, używa się druku w najlepszych gabinetach stomatologicznych czy na salach operacyjnych. Tylko kwestią czasu jest kiedy będziemy spotykać drukarki w coraz większej liczbie szpitali i klinik.

Zastosowania technik druku przestrzennego w medycynie

Chirurgia

Jednym z bardziej spektakularnych zastosowań druku jest tworzenie prototypów na potrzeby chirurgii. Świetnym przykładem jest działalność zespołu lekarzy pod kierownictwem prof. Adama Maciejewskiego w Centrum Onkologii w Gliwicach. Pacjenci, u których w wyniku rozwoju nowotworu konieczne było usunięcie fragmentu twarzoczaszki, stoją przed ryzykiem utraty podstawowych funkcji życiowych – np. samodzielnego oddychania i możliwości jedzenia. Bazując na zdjęciach z tomografii komputerowej lub rezonansu magnetycznego opracowywane są projekty 3D, a następnie drukowane modele czaszki i kości strzałkowej (służącej jako materiał do zastąpienia kości twarzoczaszki). Dzięki temu jeszcze przed operacją, chirurdzy mają możliwość zaplanowania cięć kości i poszczególnych etapów operacji. Znacząco to przyśpiesza i usprawnia cały zabieg, a ponadto umożliwia pacjentowi nie tylko odzyskanie zdrowia, ale także wyglądu zbliżonego do tego sprzed operacji. Wykorzystując tą technologię Prof. Maciejewski dokonał przełomowej operacji przeszczepu twarzy. Za spektakularny zabieg polski chirurg został wyróżniony przez Amerykańskie Towarzystwo Chirurgii Rekonstrukcyjnej i Mikronaczyniowej nagrodą za najlepszy zabieg rekonstrukcyjny w 2013r. Adam Koleśnik w Centrum Zdrowia Dziecka korzysta z drukowanych modeli serca. Wykorzystywane są do przygotowania operacji i komunikacji zabiegu pacjentowi. W analogiczny sposób wykorzystuje się prototypy do planowania operacji w innych obszarach medycyny.

Implanty i rusztowania

Nie tylko prototypy znajdują zastosowanie w medycynie. Za pośrednictwem niektórych technik możemy otrzymywać obiekty wykonane z wysoką precyzją np. z tytanu. Wydruki te mogą być wszczepiane do ciała ludzkiego i pełnić funkcję implantów. Sprawdza się to zwłaszcza w trudnych przypadkach, kiedy konieczne jest wykonanie nietypowego i skomplikowanego obiektu. W zeszłym roku dokonano wszczepienia implantów kręgów szyjnych dopasowanych do 12-letniego pacjenta w Peking University Third Hospital w Pekinie. W przypadku zastosowań medycznych jakość i bezpieczeństwo są kluczowym czynnikiem. Implanty opuszczają laboratoria i spełniają najwyższe wymagania narzucane przez międzynarodowe agencje. Zaledwie kilka tygodni temu, Amerykańska Agencja ds. Żywności i Leków (FDA) wydała zgodę dopuszczenia na rynek spersonalizowanych tytanowych implantów czaszkowych i czaszkowo-twarzowych. Produkowane są one przez firmę BioArchitects USA z wykorzystaniem metody Stapiania Wiązką Elektronów (EBM).

Obecnie prowadzi się badania nad materiałami takimi jak biodegradowalne polimery, ceramika czy stopy metali w poszukiwaniu najbardziej optymalnych do wytwarzania implantów. W weterynarii testuje się biodegradowalne implanty na potrzeby leczenia ubytków w tkance kostnej i chrzestnej. Stanowią one rusztowanie które z czasem się wchłania, a w jego miejsce pojawia się zregenerowana kość właściciela. Nad tym rozwiązaniem, i jego późniejszą implementacją u ludzi, pracują naukowcy z Wydziału Inżynierii Materiałowej Politechniki Warszawskiej i ze spółki typu spin-off Materials Care.

Stomatologia

Stomatologia jest obszarem, w którym druk 3D jest na Zachodzie od dawna stosowany. Podkreśla się przydatność w wytwarzaniu koron, mostów, modeli oraz w licznych zabiegach w ortodoncji. Technologie przyrostowe, mimo wysokiego kosztu w porównaniu do klasycznych metod, usprawniają i umożliwiają pracę w bardziej komfortowych warunkach, zarówno dla pacjenta jak i lekarza. Do głównych zalet należy wysoka automatyzacja, znaczące skrócenie czasu, oraz zniesienie ograniczeń związanych z niedoskonałością pracy człowieka. Eliminowane są także czasem problematyczne procesy, np. konieczność pobierania wycisków do stworzenia gipsowych modeli uzębienia. Stomatolog za pomocą skanera jest w stanie pobrać obraz a następnie utworzyć przestrzenny model zębów pacjenta. Dzięki temu, że wszystkie pliki magazynowane są w formie cyfrowej, stomatolodzy mają dostęp do historii pacjenta za pomocą kilku kliknięć myszką. Ponadto cały proces – od zeskanowania do wydruku gotowego modelu – może odbywać się w jednym gabinecie, nawet w trakcie tego samego dnia.

Farmacja

Prawidłowy compliance pacjentów od zawsze stanowi problem. Jest to szczególnie widoczne u chorych cierpiących na schorzenia cywilizacyjne, takie jak nadciśnienie czy cukrzyca, którzy przyjmują wiele leków. Naukowcy pracujący w zespole Clive Robertsa z Notthingam University postawili sobie za cel stworzenie jednej tabletki, która zawierałaby wiele leków. Substancje mogłyby być drukowane w polimerach o różnych właściwościach – opóźniających bądź wydłużających uwalnianie czy umożliwiających wchłonięcie dawki leku w konkretnym miejscu układu pokarmowego.

Innym rozwiązaniem które w znaczący sposób może wpłynąć na poprawienie farmakoterapii jest wytwarzanie dawek leku dopasowanych do indywidualnych potrzeb pacjenta. Firmy farmaceutyczne zazwyczaj rejestrują kilka najbardziej popularnych dawek. Niektórzy pacjenci, wymagają jednak alternatywnego dawkowania. Dr Mohamed Albed Alhnan z University of Central Lancashire w Preston pracuje nad takimi rozwiązaniami. Dedykowane one są szczególnie pacjentom pediatrycznym lub chorym cierpiącym na schorzenia ośrodkowego układu nerwowego. Drukarka znajdująca się np. w szpitalu, mogłaby zaspokajać potrzeby pacjentów na tabletki z dawkami nie dostępnymi na rynku.

Drukowane leki powoli zaczynają się pojawiać na rynku. W 2015 roku, FDA zatwierdziła pierwszy na świecie lek, Spiritam, uzyskiwany metodą druku 3D przez firmę Apprecia. Producentom udało się postać farmaceutyczną pozwalająca na umieszczenie bardzo dużej dawki leku w jednej tabletce. Substancja lecznicza uwalniania jest natychmiast po kontakcie z wodą, czego nie udało się osiągnąć poprzez klasyczne metody wytwarzania.

Open Hand

Nie można mówić o szybkim prototypowaniu z pominięciem ortopedii. Obecnie, drukowane są spersonalizowane usztywnienia na nadgarstki, protezy nóg a nawet gorsety ortopedyczne. Te ostatnie, wytwarzane są na Wydziale Wzornictwa Akademii Sztuk Pięknych w Warszawie. Często są dużo lżejsze, wygodniejsze i tańsze niż ich odpowiedniki. Metoda świetnie się sprawdza w zastosowaniach dopasowanych do pojedynczego pacjenta, a wydruki często spełniają dodatkowe funkcje, np. przypominają dłonie super bohaterów. Bardzo głośno swojego czasu było o protezie wydrukowanej na domowej drukarce 3D. Model dłoni został stworzony dzięki staraniom pasjonatów tworzących projekt Open Hand. Twórcy skonstruowali modele wraz z instrukcjami i udostępnili je dla każdego użytkownika Internetu. Koszt takiej ręki to kilkaset dolarów, a spełnia ona swoje podstawowe funkcję. Obecnie, trend open-sourceowych platform coraz bardziej się rozwija i możemy znaleźć wiele modeli np. w zbiorach OpenBionics.

Ograniczenia technologii

Druk 3D w medycynie ma tyle samo zwolenników co przeciwników. Na wstępnie należy zaznaczyć, że na chwilę obecną nie jest on odpowiedni dla każdej działki medycyny. Inną kwestia jest to, że spersonalizowane produkty nie zawsze będą należały do najtańszych, przez co ich dostępność może być ograniczona. Liczne rozwiązania wymagają dalszych badań i upłyną lata, zanim będą stosowane powszechnie. Czas jest także niezbędny do wzbudzenia zaufania zarówno wśród pacjentów, jak i lekarzy. Dziś, w dużej mierze przez niewiedzę, wielu z nich podchodzi ostrożnie do kolejnych innowacji. Kwestią budzącą wątpliwości jest także precyzja i dokładność druku. Obecnie dostępne techniki, np. PolyJet oferują wydruki z dokładnością 0,1 – 0,3 mm w płaszczyźnie X-Y, 16 – 30 μm w osi Z. Wielkim wyzwaniem dla środowiska medycznego jest także konieczność pracy w interdyscyplinarnych zespołach. W procesie tworzenia rozwiązań równie ważna jest wiedza medyczna, co techniczna. Należy nauczyć się rozmawiać wspólnym językiem i respektować wiedzę i umiejętności drugiej strony.

Dalsze perspektywy

Mimo wspomnianych przeciwności, druk trójwymiarowy w medycynie rozwija się bardzo intensywnie. Przewiduje się, że ten trend zostanie nie tylko utrzymany, ale nawet będzie się rozwijał. Oprócz druku z metalu, ceramiki czy biodegradowalnych polimerów, zaczynają pojawiać się pierwsze projekty wykorzystujące żywe komórki ludzkie. Bioprinting to na razie fascynująca koncepcja, która być może już niebawem stanie się standardem medycyny.

Technologia druku przestrzennego stanowi odpowiedź na potrzeby współczesnego świata, bowiem dostarcza spersonalizowanych rozwiązań. Bogacące się społeczeństwa poszukują podejścia uwzględniającego indywidualne potrzeby konsumenta czy pacjenta, nawet jeśli wiąże się ze znaczącym wzrostem kosztów. Na szczęście, polscy lekarze i naukowcy biorą aktywny udział w budowaniu nowej jakości w medycynie.

Autorzy:

mgr farm. Justyna Skowyra

mgr farm. Effiom Uman-Ntuk

Artykuł w oryginale:

OSOZ: Druk 3D w medycynie – innowacje stające się standardem