Wykorzystanie metalu w medycynie w przeszłości
Metal jest wykorzystywany w medycynie od tysiącleci, od stalowych narzędzi, przez złote zęby, do tytanowych protez. Najstarsze potwierdzone użycie metalowych protez sięga kilkuset lat przed naszą erą. Zazwyczaj były to protezy nóg, wykonane z połączenia brązu i drewna. Niepotwierdzone legendy mówią o używaniu metalowych protez nawet kilka tysięcy lat wcześniej. W kulturze popularnej najbardziej znaczącymi protezami były metalowe haki, spotykane najczęściej u piratów. Jest w tym sporo prawdy, ponieważ takie haki były stosowane ze względu na ich praktyczność. Można nim było trzymać tarczę lub wodze konia. Ta technologia była stosowana od średniowiecza, ulepszana przez kolejne wieki, ze szczególnym rozwinięciem w wiekach XIX i XX, gdzie opracowana została technologia sterowania hakiem, a ostatecznie podwójny chwytny hak.
Przewaga wydruków nad standardowymi elementami
Druk 3D z metalu wprowadził istotną innowację w dziedzinie implantów i protez. By metalowa część człowieka była z nim kompatybilna, musi posiadać odpowiednie parametry fizyczne, które różnią się w zależności od jednostki. Ręczna obróbka elementów jest kosztowna i pracochłonna, często ma kilka etapów, a każda niedokładność odbija się na komforcie użytkowania. Ogromną przewagą druku 3D w tym aspekcie jest kombinacja technologii: skan-obróbka-druk. Ze względu na symetryczną budowę ciała, większość brakujących części człowieka ma swój lustrzany odpowiednik, który można zeskanować i na jego podstawie stworzyć model. Zamiast czasochłonnej obróbki gotowego elementu, obrabia się jego cyfrowy odpowiednik. Ostatnim etapem jest druk. W ciągu ostatnich dziesięciu lat technologia druku 3D z metalu zyskała olbrzymią precyzję, sięgającą ułamków milimetra. Jednocześnie oszczędza się materiał, ponieważ zużywana jest go akurat tyle, ile znajduje się w ostatecznym elemencie.
W jakich dziedzinach medycyna korzysta z drukarek 3D?
Precyzyjne elementy są potrzebne w wielu dziedzinach medycyny, szczególnie gdy koszt ich wytwarzania jest zminimalizowany. Zaadoptowanie technologii druku 3D przebiegło pomyślnie między innymi w [1]:
- Produkcji implantów i protez
- Produkcji modeli tkanek do testów leków i urządzeń medycznych
- Produkcji sprzętów medycznych
- Tworzeniu modeli anatomicznych do edukacji, treningu i planowania operacji
- Drukowanie leków lub ich części
Jakie metale wykorzystuje się w medycznym druku 3D?
Najpopularniejszymi metalami do używania w medycznym druku 3D są: żelazo, magnez, cynk, tytan i kobalt [2], często występujące w postacie stopów, jak na przykład stal nierdzewna.
- Żelazo jest bardzo cenione ze względu na swoją wytrzymałość, plastyczność i twardość, dodatkowo jest metalem nietoksycznym, przez co nie ma obaw w stosowaniu go w implantach. Jeszcze lepsze właściwości ma stal nierdzewna, jednak zawiera ona zazwyczaj domieszkę chromu, który może powodować w ciele lokalne stany zapalne. Na przestrzeni ostatnich lat trwają nasilone prace nad tworzeniem nowych stopów i badaniem ich wpływu na organizm człowieka.
- Tytan jest wciąż najpopularniejszym wyborem jeśli chodzi o duże implanty. Jego biokompatybilność jest testowana w praktyce od ponad 50 lat, z doskonałymi rezultatami. Cechuje się wysoką wytrzymałością mechaniczną oraz chemiczną, a dodatkowo jego właściwości można modyfikować poprzez dodatki innych metali.
- Magnez stosowany jest tam, gdzie ważna jest waga. Jest metalem lekkim, nietoksycznym, ale jednocześnie bardzo reaktywnym. Właściwości mechaniczne ma bardzo zbliżone do ludzkich kości, jednak jego nietrwałość sprawia, że używany jest jedynie jako akcesoria pomocnicze w operacjach, np. jako śruby. Obecność magnezu wspiera również regenerację kości. [5]
- Cynk jest metalem miękkim, z dobrą odpornością na korozję, ale kiepską wytrzymałością mechaniczną. Znajduje zastosowanie głównie przy produkcji aparatury medycznej, natomiast z punktu widzenia implantologii można go spotkać w stentach. [3]
- Stopy kobaltowe mają dużą trwałość, zarówno mechaniczną, jak i chemiczną. Można je znaleźć w rozrusznikach serca, implantach biodrowych czy stentach.
Przykłady wykorzystania druku 3D z metalu w medycynie
Kość ramienna z metalową płytą dla psa [4]
W tym przypadku nastąpiła kooperacja dwóch materiałów: aluminium oraz PLA (polilaktyd). PLA zostało wykorzystane do wydruku modelu kości, natomiast aluminium do wydruku płyty “montażowej”. Całość miała miejsce w USA w 2016 roku, do projektu zaangażowani zostali studenci i kadra z uniwersytetu Tuskegee University. Trzeba pamiętać, że wymagania medyczne dotyczące procedur i sprzętu, są wobec zwierząt znacznie mniej rygorystyczne. Był to również początki wykorzystania druku w medycynie. Dzięki temu przedsięwzięciu rozpowszechniła się pozycja druku 3D jako istotnego narzędzia w medycynie, a tematem zainteresowało się kolejno siedem następnych uniwersytetów amerykańskich.
Wydrukowane narzędzia medyczne
- Narzędzia do operacji wprowadzania implantów kolan i bioder. [6]
Zespół z Carnegie Mellon University w Pittsburghu (USA) sprawdzili możliwość wydrukowania precyzyjnych narzędzi chirurgicznych na drukarce 3D. Pod uwagę wzięli techniczne wykonanie narzędzi oraz opłacalność metody przy produkcjach małoseryjnych.
Poniżej porównanie narzędzi wydrukowanych oraz zrobionych metodą tradycyjną:
Do produkcji narzędzi została użyta technologia SLM i stal nierdzewna 316L.
Osiągnięty efekt uznali za pozytywny. Dzięki obróbce udało się zminimalizować początkową chropowatość nawet 10-krotnie, do zadowalającego przedziału 0,6–0,9 µm Ra, czyli poniżej zakładanego 1,5 µm Ra. Rozbieżność wymiarowa wyniosła 0,02 mm, czyli również mieściła się w zakładanym limicie 0,125 mm.
- Sterowany kleszczyk elektrochirurgiczny [7]
Badacze z Delft University of Technology zaprojektowali i wydrukowali kleszczyk chirurgiczny przeznaczony do zabiegów małoinwazyjnych. Najważniejszą cechą tego narzędzia jest możliwość zginania końcówki w dwóch płaszczyznach, dzięki czemu operator może precyzyjnie manipulować tkanką. Autorzy wykonali prototyp i przeprowadzili testy funkcjonalne, które potwierdziły możliwość sterowania końcówką oraz wykonywania przez nią podstawowych funkcji chirurgicznych.
Zdjęcie poglądowe:
Implant kolana i stawu biodrowego [8]
Implanty zostały wykonane metodą EBM (Electron Beam Melting). Najważniejszym założeniem było stworzenie jednoczęściowych konstrukcji z kontrolowaną porowatością. Implant miał ułatwiać wzrastanie kości, jednocześnie wytrzymując naprężenia codziennego użytkowania, jednolicie je rozkładając.
Do implantu kolana został wykorzystany stop Co-29Cr-6Mo. Projekt uwzględniał stworzenie monolitycznej struktury z otwartą porowatą siatką. Jednym z problemów, jaki napotyka się podczas procesu tworzenia implantów, to nierównomierny rozkład naprężeń, prowadzący do naruszenia fragmentów kości sąsiadujących z implantem, taka struktura miała zapobiegać tego typu zdarzeniom.
Do produkcji implantu biodra został wykorzystany stop Ti-6Al-4V. Podobnie jak implant kolana, panewka stawu biodrowego miała stymulować wrastanie kości w implant, a co za tym idzie integrację implantu z ciałem. W 2007 roku włoska firma Ala Ortho otrzymała europejski certyfikat CE dla tego typu panewek.
Podsumowanie
Druk 3D z metalu znajduje coraz szersze zastosowanie w medycynie, najważniejszy rozwój następuje w dziedzinie protez i narzędzi chirurgicznych. Najważniejszą zaletą jest możliwość dostosowania elementów do indywidualnych potrzeb anatomicznych pacjenta. Szeroka gama materiałów daje ogromne możliwości. Dzięki różnym stopom metali można balansować między plastycznością a twardością, zwiększać odporność mechaniczną i chemiczną. Tworzenie implantów z użyciem drukarki 3D jest szybsze, a wariacja powierzchni drukowanych części sprawia, że integracja z ciałem człowieka jest szybsza i osiąga lepsze wyniki.
Licencje zdjęć
Creative commons 4.0 license https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Creative commons 3.0 license https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/
Bibliografia
[1] Chya-Yan Liaw and Murat Guvendiren 2017 Biofabrication 9 024102
[2] Serrano, D.R.; Kara, A.; Yuste, I.; Luciano, F.C.; Ongoren, B.; Anaya, B.J.; Molina, G.; Diez, L.; Ramirez, B.I.; Ramirez, I.O.; et al. 3D Printing Technologies in Personalized Medicine, Nanomedicines, and Biopharmaceuticals. Pharmaceutics 2023, 15, 313. https://doi.org/10.3390/pharmaceutics15020313
[3] Jakubowicz, J. Special Issue: Ti-Based Biomaterials: Synthesis, Properties and Applications. Materials 2020, 13, 1696.
[4] Quinn-Gorham DM, Khan JM (2016) Thinking Outside of the Box:
The Potential of 3D Printing in Veterinary Medicine. J Vet Sci Technol 7: 360.
doi:10.4172/2157-7579.1000360
[5] Luis Fernando Velásquez-García, Yosef Kornbluth. 2021. Biomedical Applications of Metal 3D Printing. Annual Review of Biomedical Engineering 23:307-338. https://doi.org/10.1146/annurev-bioeng-082020-032402
[6] Sudhanshu Nahata, O. Burak Ozdoganlar, Feasibility of Metal Additive Manufacturing for Fabricating Custom Surgical Instrumentation for Hip and Knee Implants, Procedia Manufacturing, Volume 34, 2019, Pages 772-779, ISSN 2351-9789, https://doi.org/10.1016/j.promfg.2019.06.207.
[7] Sakes, A., Hovland, K., Smit, G., Geraedts, J., and Breedveld, P. (January 10, 2018). „Design of a Novel Three-Dimensional-Printed Two Degrees-of-Freedom Steerable Electrosurgical Grasper for Minimally Invasive Surgery.” ASME. J. Med. Devices. March 2018; 12(1): 011007. https://doi.org/10.1115/1.4038561
[8] Murr, Lawrence E., Gaytan, Sara M., Martinez, Edwin, Medina, Frank, Wicker, Ryan B., Next Generation Orthopaedic Implants by Additive Manufacturing Using Electron Beam Melting, International Journal of Biomaterials, 2012, 245727, 14 pages, 2012. https://doi.org/10.1155/2012/245727
