Της Κωνσταντίνας Τζιώτη,
Το 3D printing ή τρισδιάστατη εκτύπωση είναι μια σχετικά νέα τεχνολογία, η οποία ακόμα εξελίσσεται και αναμένεται να φέρει επανάσταση στον χώρο της υγείας τα επόμενα χρόνια, ενώ έχει ήδη κλινικές και ερευνητικές εφαρμογές. Περιλαμβάνει τη δημιουργία φυσικών αντιγράφων ανατομικών δομών (και όχι μόνο) χρησιμοποιώντας διαδικασίες τρισδιάστατης εκτύπωσης, γνωστής και ως προσθετικής κατασκευής. H κατασκευή αυτή είναι αποτέλεσμα της διαδοχικής δημιουργίας στρωμάτων πρώτης ύλης, κάθε ένα εκ των οποίων προσαρτάται στο προηγούμενο από αυτό στρώμα, μέχρι να ολοκληρωθεί το αντικείμενο. Τα αντικείμενα παράγονται σύμφωνα με ένα ψηφιακό αρχείο, με τη βοήθεια της τεχνολογίας CAD (Computer-Aided Design) ή με βάση τη μαγνητική τομογραφία (MRI) του ασθενούς.
Ιστορική Αναδρομή
Ο πρώτος τρισδιάστατος εκτυπωτής έκανε την εμφάνισή του το 1981, όταν ο Dr Hideo Kodama δημιούργησε μία μηχανή ταχείας προτυποποίησης εξαρτημάτων που χρησιμοποιούσε μία ρητίνη πολυμεριζόμενη με υπεριώδη ακτινοβολία (UV). Πέντε χρόνια αργότερα κατατέθηκε από τον Chuck Hull η πρώτη πατέντα για τη στερεολιθογραφία (SLA), με τον ίδιο να θεωρείται πλέον ο πατέρας της τρισδιάστατης εκτύπωσης, χάρη στη δημιουργία και την εμπορευματοποίηση της SLA και της μορφής .stl — του πιο κοινού τύπου αρχείου που χρησιμοποιείται στο 3D printing μέχρι και σήμερα.
Το 2005 ο Dr Adrian Bowyer εμπνεύστηκε το RepRap Project, επαναπροσδιορίζοντας την προσθετική κατασκευή με μία τεχνολογία χαμηλού κόστους ικανή να εκτυπώνει τα πλαστικά της μέρη και να «αυτοαναπαράγεται». Χάρη στον ανοιχτό κώδικα του RepRap, η τεχνολογία 3D printing αποκτά καθολική προσβασιμότητα, με τον “Darwin” να γίνεται ο πρώτος εμπορικά διαθέσιμος 3D εκτυπωτής το 2008. Την ίδια χρονιά, η Shapeways λάνσαρε μία υπηρεσία που επέτρεπε στους χρήστες να υποβάλουν τα δικά τους αρχεία για προσωπική χρήση, ενώ το 2009 η πατέντα FDM έληξε και η μέση τιμή του FDM 3D εκτυπωτή υποδεκαπλασιάστηκε, με την Makerbot να φέρνει την επανάσταση με DIY kits για όσους θέλουν να κατασκευάσουν τους δικούς τους εκτυπωτές. Το 2011, η Kor Ecologic παρουσίασε το Urbee, το πρώτο 3D εκτυπωμένο αυτοκίνητο, και το Πανεπιστήμιο του Southampton κατασκεύασε το πρώτο μη-επανδρωμένο 3D εκτυπωμένο αεροσκάφος. Το 2015, η σουηδική Cellink εισήγαγε στην αγορά το πρώτο bio-ink για χρήση σε βιολογική εκτύπωση.
Με την άνοδο των εμπορικών τρισδιάστατων εκτυπωτών τα τελευταία χρόνια, το τοπίο της βιομηχανίας έχει αλλάξει αρκετά δραστικά. Τώρα, οι τρισδιάστατοι εκτυπωτές χρησιμοποιούνται σε βιομηχανίες και τομείς όπως η αεροδιαστημική, η αρχιτεκτονική, η αυτοκινητοβιομηχανία, και φυσικά η ιατρική.
Τα πλεονεκτήματα του 3D printing
Η τρισδιάστατη εκτύπωση προσφέρει αρκετά πλεονεκτήματα σε σχέση με τις παραδοσιακές μεθόδους κατασκευής. Συγκεκριμένα, τα πλεονεκτήματα περιλαμβάνουν τα εξής:
- Γρήγορη προτυποποίηση και ευελιξία σχεδιασμού
Η τρισδιάστατη εκτύπωση επιτρέπει ταχύτερη προτυποποίηση και επαναληψιμότητα, επιτρέποντας συντομότερο χρόνο διάθεσης στην αγορά σε σύγκριση με παραδοσιακές μεθόδους κατασκευής. Ακόμη, οι σύνθετες γεωμετρίες και τα περίπλοκα σχέδια είναι ευκολότερο και συχνά φθηνότερο να δημιουργηθούν με 3D printing παρά με μηχανική κατεργασία ή χύτευση με έγχυση, ενώ παράλληλα υπάρχει η δυνατότητα δημιουργίας προσαρμοσμένων προϊόντων για εξατομικευμένα σχέδια που καλύπτουν τις εκάστοτε ανάγκες.
- Οικονομική αποδοτικότητα και βιωσιμότητα
Χάρη στην τεχνολογία της προσθετικής κατασκευής και της δημιουργίας των αντικειμένων στρώση-στρώση, η τρισδιάστατη εκτύπωση μειώνει τη σπατάλη υλικών σε σύγκριση με τις αφαιρετικές διεργασίες που αφαιρούν υλικό από ένα μεγαλύτερο μπλοκ. Παράλληλα, τα αναλώσιμα που χρησιμοποιούνται είναι μικρού κόστους. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν ανακυκλωμένα πλαστικά και μέταλλα, καθιστώντας το 3D printing μια πιο βιώσιμη επιλογή κατασκευής. Ακόμη, είναι δυνατή η εκτύπωση κατ’ απαίτηση (print-on-demand), που μειώνει το κόστος αποθέματος και επιτρέπει την τοπική παραγωγή, μειώνοντας τα έξοδα αποστολής.
- Βελτιωμένες διαδικασίες κατασκευής
Η τρισδιάστατη εκτύπωση μπορεί να συνδυάσει βήματα κατασκευής και συναρμολόγησης, απλοποιώντας τη διαδικασία και μειώνοντας το κόστος εργασίας. Ακόμη, η τεχνολογία της τρισδιάστατης εκτύπωσης γίνεται όλο και πιο προσιτή, με τους επιτραπέζιους εκτυπωτές και τις διαδικτυακές υπηρεσίες να διευκολύνουν τα άτομα και τις μικρές επιχειρήσεις να δημιουργούν προσαρμοσμένα μέρη.
3D printing στην ιατρική
Η τρισδιάστατη εκτύπωση φέρνει επανάσταση στον τομέα της υγείας, επιτρέποντας τη δημιουργία εξαιρετικά προσαρμοσμένων, πολύπλοκων κατασκευών που καλύπτουν διάφορες ανάγκες, από την ορθοπεδική και την ακτινολογία, μέχρι την ογκολογία και την αγγειοχειρουργική. Σε παγκόσμιο επίπεδο, η 3D εκτύπωση χρησιμοποιείται στον προεγχειρητικό σχεδιασμό και τις εξατομικευμένες επεμβάσεις, για τη δημιουργία εξαρτημάτων ιατρικών συσκευών, χειρουργικών εργαλείων και προσθετικών μελών, αλλά και στην οδοντιατρική και τη χορήγηση φαρμάκων.
1. Προεγχειρητικός σχεδιασμός
Η 3D εκτύπωση επιτρέπει τη δημιουργία μοντέλων αναφοράς με χρήση MRI και CT scanning, για καλύτερη προετοιμασία των χειρουργικών επεμβάσεων. Για παράδειγμα, το 2016 στη Βόρεια Ιρλανδία, ένα επτάχρονο παιδί παρουσίασε πόνο και περιορισμένη κίνηση του άνω άκρου, μετά από τραύμα αντιβραχίου. Με την εκτύπωση του 3D μοντέλου, ο χειρουργός διαπίστωσε ότι το πρόβλημα δεν ήταν στα οστά, αλλά στον περιορισμένο χώρο μεταξύ τους. Η επέμβαση ολοκληρώθηκε σε 30 λεπτά αντί για 4 ώρες, και η κινητικότητα επανήλθε στο 90% σε έναν μήνα.
2. Εξατομικευμένη χειρουργική
Χάρη στην εμπορευματοποίηση των εκτυπωτών, τη μείωση του κόστους τους και την ευρεία διαθεσιμότητα του λογισμικού CAD/CAM, περισσότερα νοσοκομεία δημιουργούν ανατομικά μοντέλα διάφορων οργάνων, επιτρέποντας τον καλύτερο και ακριβέστερο σχεδιασμό χειρουργικών επεμβάσεων για τον εκάστοτε ασθενή.
3. Σχεδίαση ιατρικών συσκευών
Η χρήση της 3D εκτύπωσης με την μέθοδο της στερεολιθογραφίας επιταχύνει την παραγωγή ιατρικών συσκευών, μειώνοντας το κόστος έως και 90%. Υπάρχει δυνατότητα τρισδιάστατης εκτύπωσης ευρέος φάσματος ιατρικών συσκευών, συμπεριλαμβανομένων εμφυτευμάτων, προσθετικών εξαρτημάτων, ακόμη και ακουστικών βαρηκοΐας, επιτρέποντας την προσαρμογή, την ταχεία δημιουργία πρωτοτύπων και την αποτελεσματική κατασκευή συσκευών ειδικά προσαρμοσμένων στις ανάγκες του ασθενούς.
4. Βελτίωση χειρουργικών εργαλείων
Προσαρμοσμένα εργαλεία, όπως λαβίδες ή λαβές νυστεριού, μειώνουν τον χειρουργικό χρόνο και αυξάνουν την ακρίβεια. Η Endocon GmbH ανέπτυξε το εργαλείο endoCupcut που χρησιμοποιείται για αφαίρεση του αρθριτικού τμήματος της άρθρωσης ισχίου, μειώνοντας τον χρόνο από 30 λεπτά σε 3 και με λιγότερες επιπλοκές. Σύμφωνα με τον Ορθοπεδικό Χειρουργό Will Eward, από τότε που συνεργάζεται με την εταιρεία restor3d χρησιμοποιεί πολύ λιγότερο το σύστημα διεγχειρητικής πλοήγησης, χάρη στην αξιοπιστία και τη χρηστικότητα των σχεδιασμένων οδηγών κοπής, μειώνοντας έτσι τον χρόνο της επέμβασης και το ποσό ακτινοβολίας που λαμβάνει ο ασθενής.
5. Δημιουργία προσθετικών μελών
Η τρισδιάστατη εκτύπωση επιτρέπει την οικονομική κατασκευή προσθετικών, κάτι που είναι ιδιαίτερα σημαντικό για τους παιδιατρικούς ασθενείς, των οποίων οι ανάγκες μεταβάλλονται συχνά λόγω της μυοσκελετικής τους ανάπτυξης. Η Mano-matic από τους Connor & Salcedo είναι μία μόνο από τις εταιρείες που προσφέρουν οικονομικά προσιτά προσθετικά μέλη, με τον χρόνο παράδοσης να μην ξεπερνά τις δύο εβδομάδες.
6. 3D-printed εμφυτεύματα
Η τεχνολογία Electron Beam Melting (EBM) δημιουργεί μεταλλικά εμφυτεύματα που μιμούνται τη δομή των οστών και αυξάνουν την ενσωμάτωσή τους. Η Smith-Leigh, μία γυναίκα από τη Νοτιοανατολική Αγγλία, γλίτωσε τον ακρωτηριασμό χάρη σε ένα τρισδιάστατο εκτυπωμένο, εξατομικευμένο οστικό εμφύτευμα που της επιτρέπει να έχει μία φυσιολογική ζωή.
7. Εφαρμογές 3D εκτύπωσης στην Οδοντιατρική
Στην οδοντιατρική βιομηχανία, η 3D εκτύπωση χρησιμοποιείται για κατασκευή οδοντοστοιχιών, οδηγών, γεφυρών και κυρίως για διαφανείς νάρθηκες (aligners). Οι aligners είναι ουσιαστικά «αόρατες» συσκευές που ισιώνουν τα δόντια και μπορούν να αφαιρεθούν εύκολα όταν ο χρήστης θέλει να φάει ή να βουρτσίσει τα δόντια του. Χάρη στην 3D εκτύπωση, η διαδικασία για την κατασκευή τους απλοποιείται, καθώς δεν απαιτούνται χειροκίνητες διαδικασίες και φρεζάρισμα. Αρχικά, λαμβάνονται αποτυπώματα με kit, σχεδιάζεται το θεραπευτικό πλάνο από τον ειδικό οδοντίατρο και ακολουθεί η παραγωγή και η αποστολή των διάφανων ναρθήκων από τη συνεργαζόμενη εταιρεία στον πελάτη.
8. Απλοποίηση της φαρμακευτικής χορήγησης
Τα 3D εκτυπωμένα πολύ-χάπια περιλαμβάνουν πολλά φάρμακα σε διαφορετικά διαμερίσματα και με διαφορετικά προφίλ απελευθέρωσης, σε μία μόνο κάψουλα. Έτσι, ασθενείς που πάσχουν από διάφορα προβλήματα υγείας μπορούν να λαμβάνουν μόνο ένα χάπι, το οποίο χειρίζεται τόσο τη δοσολογία όσο και τις πιθανές αλληλεπιδράσεις των δραστικών ουσιών. Επιτυγχάνεται, συνεπώς, καλύτερη συμμόρφωση των ασθενών και εξατομίκευση της δοσολογίας, ενώ παράλληλα μειώνεται το κόστος παραγωγής.
Το μέλλον της 3D εκτύπωσης
Είναι δύσκολο να προβλέψει κανείς το μέλλον της 3D εκτύπωσης, όμως όσον αφορά τις ιατρικές εφαρμογές της, οι στόχοι είναι αρκετά ξεκάθαροι. Η πλήρης βιοεκτύπωση λειτουργικών οργάνων, απόλυτα συμβατών με το προφίλ του εκάστοτε ασθενή, ώστε να αντιμετωπιστεί το πρόβλημα της έλλειψης οργάνων και του κινδύνου απόρριψης, είναι ένας από αυτούς. Τα επόμενα χρόνια, προηγμένα βιοϋλικά και έξυπνα εμφυτεύματα θα ενσωματώνονται πιο αποτελεσματικά στο ανθρώπινο σώμα, ενώ οι 3D εκτυπωμένες κάψουλες φαρμάκων θα έχουν πιο ευρεία χρήση. Ακόμη, αναμένεται η ενσωμάτωση της 3D εκτύπωσης απευθείας στο χειρουργικό περιβάλλον, επιτρέποντας την εκτύπωση προσαρμοσμένων εξαρτημάτων επί τόπου, κατά τη διάρκεια της επέμβασης. Συμπερασματικά, το μέλλον της τρισδιάστατης εκτύπωσης προβλέπεται λαμπρό και υπόσχεται μεγαλύτερη προσαρμοστικότητα, αποδοτικότητα και βιωσιμότητα, ανοίγοντας τον δρόμο για εφαρμογές που σήμερα μπορεί να φαντάζουν επιστημονική φαντασία.
ΕΝΔΕΙΚΤΙΚΕΣ ΠΗΓΕΣ
- Infographic: The history of 3D Printing, ASME, διαθέσιμο εδώ
- Contributed: Top 8 healthcare uses for 3D printing, mobi health news, διαθέσιμο εδώ
- Medical Applications of 3D Printing, FDA, διαθέσιμο εδώ
- What is Medical 3D printing? SYNOPSYS, διαθέσιμο εδώ
- 3D Printing in Medicine, BMC, διαθέσιμο εδώ
- The complete history of 3D printing, UltiMaker, διαθέσιμο εδώ
- The Next Generation of 3D Printed Surgical Instruments, formlabs, διαθέσιμο εδώ
- 3D Printed Bone Implant Saves Woman’s Leg, Duke Health, διαθέσιμο εδώ
