Zastosowanie PEEK (polieteroeteroketonu) w druku 3D substytutów ludzkich tkanek twardych przyciągnęło w ostatnich latach dużą uwagę. Dzięki doskonałej biokompatybilności i stabilności chemicznej oraz gęstości i właściwościom mechanicznym zbliżonym do ludzkiej kości, PEEK jest idealnym materiałem na substytuty kości i stał się wiodącym materiałem kandydującym do zastąpienia metalowych implantów i protez w chirurgii ortopedycznej, kręgosłupa i czaszkowo-szczękowo-twarzowej. W połączeniu z technologią druku 3D oczekuje się, że PEEK będzie szeroko stosowany w dziedzinie implantów ortopedycznych. Projekt zaawansowanego zastosowania medycznego druku 3D PEEK prowadzony przez INTAMSYS we współpracy ze Szpitalem Tangdu Uniwersytetu Medycznego Sił Powietrznych jest pionierską praktyką w tej dziedzinie.
Implanty drukowane w technologii PEEK 3D w leczeniu czaszki, żeber piersiowych i zespołu dziadka do orzechów
Operacja rekonstrukcji czaszki
W konwencjonalnych procedurach implantacji czaszki, twarda i lekka siatka tytanowa jest powszechnie stosowana do naprawy uszkodzeń lub wypełniania pustych przestrzeni. W międzyczasie społeczność medyczna nieustannie poszukuje nowych materiałów na implanty medyczne, aby poprawić wyniki chirurgiczne i pooperacyjne doświadczenia pacjentów.
Model ubytku czaszki
Jaka technika może najlepiej spełnić wymagania chirurgiczne?
Pacjent w szpitalu Tangdu Uniwersytetu Medycznego Sił Powietrznych miał guza głowy i potrzebował implantu czaszki, aby naprawić uszkodzony obszar. Na podstawie danych z tomografii komputerowej pacjenta chirurdzy zaprojektowali „szytą na miarę” strukturę czaszki przy użyciu oprogramowania CAD. Wydrukowali spersonalizowane elementy czaszki metodą FDM (fused deposition modeling) przy użyciu wysokowydajnego materiału PEEK z pomocą technologii druku 3D firmy INTAMSYS. Podczas operacji chirurdzy z powodzeniem naprawili uszkodzony obszar czaszki pacjenta, precyzyjnie wszczepiając elementy czaszki zgodnie z protokołem. Badanie pooperacyjne wykazało, że elementy czaszki idealnie pasowały do naturalnej kości pacjenta, a okres rekonwalescencji przebiegał pomyślnie.
Wszechstronne zastosowanie w implantach chirurgicznych
W 2018 roku Oddział Urologii Szpitala Tangdu i Centrum Badań nad Drukiem 3D Uniwersytetu Medycznego Sił Powietrznych wspólnie przeprowadziły pierwszą na świecie operację leczenia zespołu dziadka do orzechów za pomocą technologii druku 3D, wykorzystując ludzki materiał bioniczny PEEK do produkcji ludzkich implantów.
Implant Nutcracker PEEK wydrukowany 3D za pomocą sprzętu INTAMSYS
Żebra wydrukowane w drukarce 3D
Centrum Badań nad Drukiem 3D Uniwersytetu Medycznego Sił Powietrznych dokonało przełomu w kilku operacjach wymiany żeber piersiowych, tworząc nowe implanty za pomocą technologii druku 3D FDM/FFF firmy INTAMSYS.
Implant żebra piersiowego PEEK wydrukowany w 3D za pomocą INTAMSYS FUNMAT PRO 610
Z pomocą technologii druku 3D wykonano już setki zabiegów wszczepienia implantów z materiału PEEK, a pacjenci całkowicie powrócili do zdrowia po operacji.
Technologia druku 3D uwalnia nowy potencjał materiałów PEEK
W miarę jak produkcja implantów medycznych przestawia się z konwencjonalnej standardowej produkcji masowej na produkcję implantów dostosowanych do potrzeb pacjenta, druk 3D odgrywa coraz ważniejszą rolę w branży produkcji implantów medycznych, umożliwiając realizację produkcji seryjnej implantów PEEK dostosowanych do potrzeb pacjenta i na małą skalę.
Technologia druku 3D FDM/FFF oparta na procesie wytłaczania materiału jest jedną z bardziej ekonomicznych i wydajnych metod produkcji małoseryjnej w porównaniu z tradycyjnymi metodami produkcji. Na przykład we wspomnianej operacji rekonstrukcji czaszki w szpitalu Tangdu, zespół medyczny „dostosował” implanty PEEK dla pacjenta w oparciu o technologię druku 3D FDM/FFF firmy INTAMSYS, a elementy czaszki zostały idealnie osadzone w naturalnej kości pacjenta, przyczyniając się do szybkiego powrotu do zdrowia po operacji.
Wykorzystując zalety technologii wytwarzania addytywnego / druku 3D w wytwarzaniu złożonych struktur, bioaktywność materiałów PEEK można poprawić na poziomie projektowania. Na przykład, technologia druku 3D może konstruować połączone i zintegrowane porowate struktury, aby ułatwić osteointegrację implantów PEEK, poprawić dokładność rentgenowską i osiągnąć moduł sprężystości, który ściśle odpowiada ludzkiej kości gąbczastej.
Filament PEEK
Wyzwania związane z drukiem 3D z PEEK FDM/FFF
Sprzęt produkcyjny i stabilność procesu są warunkami wstępnymi komercjalizacji implantów medycznych z PEEK drukowanych w 3D. Ze względu na wysoką temperaturę topnienia, PEEK wymaga wysokotemperaturowej obróbki cieplnej. Połączenie podwyższonych temperatur przetwarzania i wysokiej szybkości krystalizacji PEEK prowadzi do nadmiernych naprężeń termicznych (nierównomierny rozkład między drukowanymi warstwami) i może skutkować pękaniem termicznym, a także słabą przyczepnością międzywarstwową i wypaczeniem drukowanych w 3D części PEEK. Dlatego też druk 3D PEEK FDM/FFF jest znacznie bardziej złożony i wymagający niż procesy wykorzystujące tworzywa konstrukcyjne i ogólnego przeznaczenia. Aby opracować wysokiej jakości części drukowane 3D z PEEK, wymagane są specjalistyczne techniki produkcyjne, a także sprzęt do druku 3D FDM dedykowany materiałom PEEK.
Zasadniczo drukowanie 3D materiałów o wysokiej wydajności polega na obróbce termicznej materiałów polimerowych. Konstrukcja termiczna komory urządzenia drukującego 3D i odpowiednia temperatura komory zwiększą siłę wiązania między warstwami materiałów polimerowych, jednocześnie zmniejszając skurcz i odkształcenia spowodowane chłodzeniem i naprężeniami szczątkowymi. Różne materiały mają różne wymagania dotyczące temperatury komory podczas procesu wytłaczania materiału, a temperatura komory wymagana do drukowania 3D wysokowydajnych materiałów PEEK powinna osiągnąć 150-250°C.
Biorąc za przykład sprzęt drukujący 3D INTAMSYS FUNMAT PRO 610HT do materiałów o wysokiej wydajności, ma on w pełni zamkniętą komorę formowania, temperaturę platformy drukującej 3D i komory można kontrolować w zakresie od temperatury pokojowej do 300°C, sprzęt kontroluje ogrzewanie komory przez dwustronny cyrkulacyjny gorący kanał, jednocześnie synchronicznie ogrzewając łoże drukujące, które jest wyposażone w pogrubioną warstwę izolacyjną na zewnątrz w celu zmniejszenia rozpraszania ciepła. Po osiągnięciu zadanej temperatury i ustabilizowaniu jej przez pewien czas, pole temperatury wewnątrz całej komory jest bardzo jednorodne, a temperatura jest dokładnie kontrolowana w zakresie 300°C ± 2,5%. Ze względu na doskonałą wydajność w wysokich temperaturach, sprzęt drukujący 3D INTAMSYS FUNMAT PRO 610HT jest używany głównie do produkcji addytywnej z materiałami o wysokiej wartości dodanej, takimi jak PEEK, ULTEM i PPSU, i spełnia wymagania druku 3D większości materiałów FDM/FFF na rynku. W przeciwieństwie do zwykłych drukarek 3D, które są podgrzewane tylko przez platformę drukującą, FUNMAT PRO 610HT może dodatkowo zapewnić, że pierwsza warstwa drukowanych części 3D utrzymuje wysoką przyczepność do platformy drukującej, a materiał jest podgrzewany w jednolitej temperaturze we wszystkich częściach podczas procesu drukowania 3D, co ułatwia formowanie próbek o dużych rozmiarach, jednocześnie zapobiegając wypaczeniom i innym defektom, zapewniając niezawodną gwarancję wysokiej jakości druku 3D materiałów PEEK.
Niezależnie od tego, czy chodzi o leczenie czaszki, mostka czy zespołu dziadka do orzechów, spersonalizowane protokoły implantacji będą bardziej precyzyjne i wydajne, aby zapewnić pacjentom lepsze doświadczenie terapeutyczne i powrót do zdrowia. Technologia druku 3D zapewnia również więcej innowacji i przełomów w innych obszarach medycznych, takich jak rekonstrukcja kości i produkcja protez. Jesteśmy głęboko przekonani, że świat medycyny w przyszłości będzie świadkiem nieskończonych możliwości, jakie przyniesie technologia druku 3D.
