کاربرد چاپ سه بعدی در صنعت پزشکی

مطالعه‌ای توسط Wohlers در سال 2015 نشان داد که 13 درصد از کل درآمد چاپ سه بعدی از طریق شرکت‌هایی که با صنعت پزشکی در ارتباط هستند، تامین می‌شود. بیش از 20 نوع ایمپلنت مختلف مورد تائید سازمان غذا و دارو (FDA)، از ایمپلنت جمجمه تا لگن، زانو و نخاع، با فناوری‌های مختلف چاپ سه بعدی تولید می‌شوند. علاوه بر این تا به امروز بیش از 100000 ایمپلنت استابولوم (گودی استخوان لگن) از طریق چاپ سه بعدی تولید شده که تقریبا 50000 عدد از آن‌ها در بدن بیماران قرار داده شده است.

تمامی این نقاط عطف نقش مهمی که امروز چاپ سه بعدی در صنعت پزشکی، جایی که می‌توان محصولات متناسب با هر فرد را تولید کرد، دارد را تقویت می‌کند؛ این امر درک متخصصان پزشکی از بیماران را بهبود می‌بخشد و با ارائه محصولات منحصر به فرد تولید شده برای آناتومی خاص هر بیمار، باعث آرامش خاطر آن‌ها می‌شود.

در این مقاله به الزامات صنعت پزشکی که چاپ سه بعدی را به یک فناوری ایده‌آل از بسیاری جهات تبدیل کرده، می‌پردازد و همچنین متداول‌ترین روش‌های تولید داده برای مدل‌سازی سه بعدی پزشکی را نام می‌برد. کاربردهای متداول چاپ سه بعدی در صنعت پزشکی نیز همراه با موانع و محدودیت‌هایی که می‌بایست بر آن‌ها غلبه کند، مورد بررسی قرار خواهد گرفت. و در انتها مطالعات موردی مواردی که چاپ سه بعدی در این صنعت مورد استفاده قرار گرفته ارائه خواهند شد.

الزامات صنعت پزشکی

سفارشی سازی

ماهیت فردی مراقبت‌های بهداشتی چاپ سه بعدی را به عنوان یک راه ایده‌آل برای صنعت پزشکی معرفی می‌کند. چاپ سه بعدی به جای تولید هزاران مولفه یکسان، امکان ایجاد دستگاه‌های پروتز و ارتوز متناسب با آناتومی خاص بیمار را فراهم می‌کند و باعث بهبود کارایی آن‌ها می‌شود.

پیچیدگی

در حالی که در گذشته تروش تولید سنتی برای ساخت اشکال پیچیده و ارگانیک با مشکلاتی روبرو بوده، طرح‌هایی که امروز فناوری چاپ سه بعدی قادر به چاپ آن‌ها می‌باشد بی‌حد و حصر هستند. مدل‌های ظریفی که کاملا شکل استخوانی دارند و قطعات فلزی متخلخل به آسانی قابل ساخت هستند و دری به سوی طراحی و ساخت قطعاتی که تاکنون قابل ساخت نبوده‌اند (از جمله استخوان‌های صورت، زند زیرین و زبرین)، باز می‌کند.

زمان فرآوری

مدت زمان فرآوری ابزار، چه وابسته به سازمان چه خارج آن، می‌تواند طولانی و هزینه‌بر باشد. یکی از ویژگی‌های بارز چاپ سه بعدی ارائه ابزار مناسب به طراحان و مهندسان جهت تولید سریع طرح و تکرار آن، برقراری ارتباط موثرتر بااستفاده از نمونه‌های اولیه واقعی و در نهایت کاهش زمان عرضه به بازار می‌باشد. ضروری‌ترین بخش در موفقیت هر دستگاه پزشکی، بازخورد پزشکان و بیماران و سرعت پیاده‌سازی این ایمپلنت‌ها می‌باشد. اکنون می‌توان در عرض چند ساعت یک طرح پزشکی را طبق بازخورد مستقیم جراحانی که آن را استفاده کرده‌اند تکرار کرد و نمونه‌های اولیه جدید را برای ارزیابی چاپ کرد. بازخورد سریع‌تر، چرخه طراحی را سرعت می‌بخشد. تولیدکنندگان همچنین می‌توانند از قطعات اولیه چاپ سه بعدی برای پشتیبانی از آزمایشات بالینی یا تجاری اولیه در زمان بهینه‌سازی طراحی، استفاده کنند.

هزینه

چاپ سه بعدی علاوه بر توانایی تولید اجزای پیچیده سفارشی، برای تولید با حجم کم نیز مناسب می‌باشد چرا که در عین افزایش میزان اثربخشی هزینه را ماهش می‌دهد. ماهیت تولید به معنای عدم نیاز به ابزارهای گران قیمت یا فرآِندهای ماشینی است. فناوری‌های چاپ سه بعدی نیز فقط با استفاده از موماد مورد نیاز خود، قطعات را تولید کرده و موجب کاهش هزینه و ضایعات می‌شوند.

چاپ مولتی متریال

برخی از فناوری‌های چاپ سه بعدی هم اکنون قادر به چاپ مدل‌های سه بعدی با چند ماده مختلف در یک فرآیند چاپ هستند. مزیت این امر این است که اکنون یک مدل می‌تواند دارای بخش‌های مختلفی که نمایانگر استخوان، اندام‌ها و بافت نرم است، باشد و به جراحان و پزشکان این امکان را می‌دهد که هنگام استفاده از مدل در تمرینات جراحی یا اهداف آموزشی، درک بیشتری از وضعیت بدن بیمار داشته باشند.

قابلیت ضدعفونی شدن

باتوجه به کاربرد برخی از قطعات مورد استفاده در صنعت پزشکی، قابلیت ضدعفونی شدن یکی از مهم‌ترین خواص ماده به شمار می‌آید. لیست برخی از متداول‌ترین مواد ضدعفونی کننده مورد استفاده در چاپ سه بعدی در جدول زیر نشان داده شده است.

متداول‌ترین مواد قابل ضدعفونی در چاپ سه بعدی

تولید داده (MRI، CT، اسکن لیزری)

یکی از مزایای منحصر به فرد چاپ سه بعدی توانایی تولید مستقیم قطعات خاص بیمار از طریق اسکن داده‌ها است که با اکثر تکنیک‌های معمولی ساخت مقرون به صرفه نمی‌باشد. ساخت این قطعات از طریق نرم‌افزاری که اسکن‌های خود بیمار را (بوسیله توموگرافی کامپیوتری (CT)، تصویر برداری با تشدید مغناطیس (MRI) و اسکن لیزری) به فایل‌های سه بعدی تبدیل می‌کند، امکان‌پذیر است. این فایل‌ها اساسا ویژگی‌های خاص آناتومی یا پاتالوژیک هر بیمار را کدگذاری می‌کند و سپس این کدها توسط پرینترهای سه بعدی چاپ می‌شوند.

-CT در CT برای بدست آوردن تصویری مقطعی از جسم، به آن اشعه X می‌تابانند. CT یکی از روش‌های عکس برداری از استخوان‌ها یا جمع‌آوری اطلاعاتی است که بعدها در تولید مدل‌های پزشکی از ساختارهایی با بافت سخت، مثل استخوان، استفاده می‌شود. CT اسکن به طور گسترده‌ای در اورژانس استفاده می‌شود چرا که مدت زمان انجام آن کمتر از 5 دقیقه می‌باشد. از آنجا که بیماران در معرض مقدار کمی اشعه هستند، CT اسکن ممکن است گاهی نامناسب باشد.

-MRI MRI با استفاده از آهنربایی بسیار قوی هسته اتم‌های داخل بدن را هم‌تراز کرده و با استفاده از یک میدان مغناطیسی بی‌ثبات، طی پدیده‌ای به نام تشدید مغناطیسی هسته‌ای، باعث تشدید اتم‌ها می‌شود. هسته‌ها، میدان‌های مغناطیسی تولید می‌کنند که اسکنر آن‌ها را شناسایی کرده و برای ایجاد تصویر استفاده می‌کند. تفاوت بین بافت طبیعی و غیرطبیعی اغلب در MRI واضح‌تر از CT اسکن است. به طور معمول انجام اسکن MRI نیز بیشتر طول می‌کشد.

اسکن لیزری– در اسکن لیزر سطح یک جسم اسکن شده و داده‌ها به صورت محموعه‌ای از نقاط (ابر نقطه‌ای) ضبط می‌شوند و سپس برای تولید یک سطح سه بعدی استفاده می‌شوند. این روش باعث می‌شود که قطعاتی که اندازه‌گیری دقیق و ساخت مدل‌های سه بعدی برای آن‌ها دشوار است، قابل دیجیتالی شدن و بازتولید دقیق شوند. بر خلاف اسکن CT یا MRI، اسکن لیزری ساختار داخلی اجسام اسکن شده را نشان نمی‌دهد. همچنین اسکنرهای لیزری برای کاربردهای مختلف در انواع مختلف ارائه می‌شوند که مزایای بیشتری نسبت به اسکنرهای CT و MRI در اندازه صنعتی دارند.  

کاربردهای متداول

ابزارهای یادگیری جراحی

چاپ سه بعدی در صنعت پزشکی بیشتر روی ایمپلنت‌ها و دستگاه‌های پزشکی مرتبط با بیماران بوده است و یکی از مهم‌ترین زمینه‌های کاربرد آن سخت مدل‌های آناتومیک می‌باشد. در طول تاریخ، تمرینات بالینی با آموزش و آزمایش دستگاه‌ها در شبیه‌سازهای بالینی برو روی مدل‌های حیوانی، جسد انسان و مانکن‌ها صورت می‌گرفته است. این گزینه‌ها دارای نقایص متعددی از جمله تعداد محدود، هزینه جابه‌جایی و ذخیره‌ سازی، عدم آسیب‌شناسی در مدل‌ها، مغایرت با آناتومی انسان و عدم توانایی در نمایش دقیق ویژگی‌های بافتی انسان‌های زنده می‌باشند.

امروزه پزشکان از مدل‌های تولید شده از داده‌های اسکن بیماران توسط چاپ سه بعدی جهت تشخیص بهتر بیماری‌ها، توضیح تصمیمات درمانی، برنامه‌ریزی و حتی در برخی موارد، انجام تداخلات انتخاب شده جراحی پیش از عمل اصلی، استفاده می‌کنند. این مدل‌ها به پزشکان کمک می‌کنند که آناتومی بدن بیمار، که تصور آن به ویژه در روش‌های کم تهاجم دشوار است، را به خوبی درک کنند. مدل‌ها همچنین می‌توانند به اندازه‌گیری دقیق دستگاه‌های پزشکی کمک کنند. علاوه بر این پزشک‌ها می‌توانند از این مدل‌ها برای جراحی‌های آینده یماران و خانواده آن‌ها و توضیح مراحل جراحی به تیم بالینی استفاده کنند.

برای کمک به کاهش هزینه روش‌هایی ارائه شده‌اند که جراحان می‌توانند با هزینه کم روی مانکن‌هایی که با چاپ سه بعدی مخصوص بیمار طراحی شده‌اند، تمرین و برنامه‌ریزی کنند. این موضوع نشان‌دهنده این است که فناوری چاپ سه بعدی قادر به چاپ موماد سخت و نرم در یک قسمت می‌باشد که امکان چاپ دقیق بافت انسانی، کلسیفیکاسیون و استخوان را دارد به این معنا که جراحان اکنون می‌توانند درک بهتری از روش‌هایی که لازمه آن‌ها لمس قسمت‌های مختلف آناتومی بیمار است، داشته باشند.

راهنماها و تجهیزات جراحی

همانطور که برای اطمینان از قرارگیری سوراخ در محل درست و مناسب از مته استفاده می‌شود، پزشکان نیز برای بهتر انجام دادن عمل جراحی به راهنما و تجهیزاتی نیاز دارند. در طول تاریخ این تجهیزات از تیتانیوم و آلومینیوم ساخته می‌شدند. با روی کار آمدن چاپ سه بعدی، پزشکان توانستند راهنماهایی مطابق با آناتومی خاص هر بیمار داشته باشند و مته و سایر تجهیزات مورد استفاده در حین جراحی را با دقت بیشتری به کار گیرند. ابزارهای ساخته شده با استفاده از چاپ سه بعدی باعث می‌شوند که درمان‌های ترمیمی (پیچ، پلاک و ایمپلنت) با دقت بیشتری انجام شوند و نتایج بهتری حاصل شود.

جراحان ارتوپدی و کراینوفیشال (جمجمه و صورت) یکی از مصرف‌کنندگان دائمی تجهیزات و راهنماهای ساخته شده با چاپ سه بعدی هستند. در سال 2014، 23 راهنما و قالب جراحی سفارشی برای کمک به جراحی‌های کلی و جزئی تعویض مفاصل زانو و بیش از 112 راهنمای جراحی برای کمک به جراحی‌های مختلف جمجمه و صورت ساخته شده و 9 نوع کاشت جمجمه و صورت با آلیاژ تیتانیوم Ti-6Al-4V تنها مصر روی بیماران اعمال شده است. راهنماهای جراحی تهیه شده از اسکن بیماران برای مطابقت دقیق با آناتومی آن‌ها و ساخته شده از PC-ISO (پلاستیک FDM قابل ضدعفونی) برای تماس کوتاه مدت با بافت انسان مناسب هستند. این موضوع موجب شده تا برش‌های جراحی در آناتومی بیمار بسیار دقیق‌تر پیاده شوند.

مدل‌های آناتومیک (استخوانی) و راهنماهای جراحی نیز از طریق چاپ سه بعدی تولید می‌شوند و مشترکا برای برنامه‌ریزی و آزمایش بهترین نقاط برای جایگذاری پیچ‌ها و پلاک‌های متناسب با سطح استخوان بیمار، قبل از جراحی استفاده می‌شوند.

ایمپلنت‌ها

قابلیت چاپ سه بعدی در تولید ساختارهای مشبک روی سطح ایمپلنت‌های جراحی می‌تواند پیوند استخوان را بهبود بخشیده و احتمال پس زدن را کاهش دهد. مواد زیست سازگار، مانند آلیاژهای تیتانیوم و کبالت-کروم، در جراحی‌های فک و صورت و ارتوپدی قابل استفاده می‌باشند. هندسه سطح بالایی تولید شده با چاپ سه بعدی میزان بقای کاشت را در مقایسه با محصولات سنتی دو برابر بهبود می‌بخشد. تخلخل این محصولات چاپ سه بعدی همراه با سطح بالای سفارشی‌سازی و توانایی تولید با مواد سنتی پزشکی، منجر به رشد سریع ایمپلنت‌های سه بعدی در شاخه پزشکی چاپ سه بعدی شده است.

اعضای مصنوعی

هر ساله نزدیک به 200000 قطع عضو تنها در ایالات متحده صورت می‌گیرد با پروتزهایی که قیمت آن‌ها از 5000 تا 50000 دلار است که جایگزینی یا تغییر در آن‌ها می‌تواند وقت‌گیر و گران باشد. از آنجایی که این قبیل پروتزها وسایل شخصی محسوب می‌شوند، هرکدام باید به صورت سفارشی ساخته شده یا متناسب با نیاز فرد طراحی شده باشند. امروزه فناوری چاپ سه بعدی به طور منظم برای تولید اجزای خاص پروتز بیمار که کاملا با آناتومی کاربر تطابق دارد، استفاده می‌شود. توانایی تولید هندسه‌های پیچیده با مواد مختلف منجر به سازگاری چاپ سه بعدی در نقاط تماس پروتز با بدن بیمار شده است. از فناوری چاپ سه بعدی برای تولید همه چیز، از اتصالات پای مصنوعی که به راحتی قابل استفاده است تا پروتز پیچیده صورت و کاملا سفارشی که برای یک بیمار سرطانی طراحی شده است، مورد استفاده قرار می‌گیرد.

حتما این به این مطلب هم سربزنید: پیوند استخوان با چاپگر سه بعدی
پیوند استخوان فک ساخته شده با چاپگر سه بعدی امکان‌پذیر شد.

فناوری چاپ سه بعدی در ساخت پروتزهای ارزان قیمت نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد. ماهیت تعاملی چاپ سه بعدی به این معنا است که یک جستجوی سریع اینترنتی درباره پروتزهای سه بعدی، طیف گسترده‌ای از محصولات تخصصی را که توسط پرینترهای سه بعدی رومیزی با هزینه کم ساخته شده‌اند را ارائه می‌کند. این طرح‌ها به راحتی قابل تطبیق با اندازه مورد نظر کاربر می‌باشند. انجمن e-NABLE متشکل از گروهی از افراد سراسر جهان است که از پرینترهای سه بعدی خود برای تولید دست و بازوی سه بعدی رایگان برای افراد نیازمندی که دارای پروتز اندام فوقانی می‌باشند، استفاده می‌کنند. با ادامه یافتن مسیر چاپ سه بعدی، این موضوعات به امری معمولی تبدیل شده‌اند.

معمولا برای تولید بخش ساختاری پروتزهای کاربردی از تکنیک‌ها و مواد سنتی ساخت استفاده می‌شود. چاپ سه بعدی عموما با تولید خطوط پیچیده متناسب با آناتومی کاربران، باعث راحتی و تناسب قسمت رابط می‌شود. چاپ سه بعدی همچنین در سطح خارجی پروتز، برای تولید پوسته‌های بیرونی حیاتی و آلی که ماهیت مکانیکی پروتز را پنهان می‌کنند، استفاده می‌شود. این موضوع به فرد استفاده کننده اجازه می‌دهد که پروتزهای مصنوعی خود را متناسب با هر طرح یا سبکی که ترجیح می‌دهد، تنظیم کند.

سمعک

ممکن است باورش سخت باشد اما سمعک یکی از بزرگترین تولیداتی است که به تداوم چاپ سه بعدی کمک می‌کند. بیش از 10000000 نفر اکنون از سمعک تولید شده با چاپ سه بعدی استفاده می‌کنند و 97% کل سمعک‌های دنیا با استفاده از این فناوری تولید می‌شوند. فناوری چاپ سه بعدی در مقایسه با تولید سنتی نه تنها به طور قابل توجهی هزینه سمعک‌های سفارشی را کاهش داده بلکه میزان برگشت خوردن سمعک‌ها به علت نافرم بودن سطح خارجی را از 40% به 10% کاهش داده است.

محدودیت‌ها

برخی از محدودیت‌های چاپ سه بعدی در صنعت پزشکی شامل موارد زیر است:

1. با اینکه زمان چاپ قطعات در مقایسه با روش‌های سنتی اغلب بسیار سریع‌تر است اما همچنان برای تبدیل داده‌های اسکن شده برای تولید یک فایل STL قابل چاپ، زمان قابل توجهی لازم است. به همین دلیل، برای موارد فوری‌تر، مانند جراحی تروما، ایمپلنت‌های عمومی یا تجهیزات پزشکی می‌توانند راه‌حل مطلوبی باشند.
2. خرید یک دستگاه FDM یا SLA رومیزی معمولا از 1000 تا 5000 دلار و پرینترهای سطح بالا (SLS، متریال جت و چاپ فلزی) از 200000 تا 850000 دلار می‌باشد. مواد این فناوری‌ها نیز در حال حاضر بسیار گران هستند. راه‌حل بهینه برای این فناوری‌ها تهیه محصولات از پیش تولید شده است.
3. درک صحیح از هر فناوری چاپ سه بعدی بسیار حیاتی است و باید با قطعه مورد نظر تطابق داده شود. هر فناوری نقاط قوت و ضعفی دارد و ممکن است باعث تغییر قیمت قابل توجهی در هر قطعه شود.

مطالعه موردی-مدل‌های نوزاد مجهز به سنسور

مارک تیلن، کاندیدای دکتری دانشگاه صنعتی آیندهوون و شرکت‌کننده برنامه پرچمدار بهداشت و درمان، افزایش موفقیت روند جراحی نوزادان بیمار را هدف خود قرار داده است. مارک با استفاده از چاپ سه بعدی ، روشی تمرینی را با استفاده از مدل‌های نوزاد با اندام‌های عملکردی واکنش‌دهنده با سنسور هوشمند، ابداع کرده است.

برای جراحان و پرستارانف استفاده از مدل‌های آناتومیک برای موفقیت در جراحی و اقدامات پزشکی امری مهم است. در زمنیه نوزادان، تمرین با مانکن‌هایی که فاقد پیچیدگی و احساسات بیمار تازه متولده شده هستند، بسیار دشوار است. تحقیقات مارک در زمینه تولید مانکن‌هایی است که کلیه اندام‌های داخلی اصلی آن‌ها کار کند و مجهز به سنسورهایی برای اندازه‌گیری‌های کلیدی، مانند فشار، استرس و ضربه‌های مراحل آزمایش (CPR و لوله‌گذاری)، باشند.

از چاپ سه بعدی به دلیل مواد گسترده قابل استفاده و قابلیت تولید اشکال ارگانیک، استفاده می‌شود. دو جزء مهم در هر مانکن وجود دارد؛  قفسه سینه و ستون فقرات که مانند حفاظی برای جزء دوم که اعضای داخلی بدن می‌باشد، عمل می‌کنند. پیچیدگی مطلق آناتومی انسان برای بازآفرینی با استفاده از هر روش تولیدی دیگر بسیار دشوار، پرهزینه و زمان‌بر است.

آزمایش در ابتدا با استفاده از الاستومرهای ترموپلاستیک مختلف روی یک پرینتر سه بعدی FDM رومیزی انجام شد تا قسمت‌های بزرگتر مدل، مثل قفسه سینه، چاپ شود. بعد از نهایی شدن طرح، از تف‌جوشی لیزری انتخابی (SLS)، به دلیل دقت و آزادی ابعادی که ارائه می‌دهد استفاده می‌شود.

برای چاپ ارگان‌های عملکردی و قالب گیری از متریال جت استفاده شد. در مقایسه با روش‌های سنتی، قالب‌های چاپ سه بعدی امکان تغییر سریع طراحی را فراهم می‌کنند. متریال جت همچنین اجازه می‌دهد مواد (پلاستیک‌های سفت و سخت و انعطاف‌پذیر) هنگام ایجاد قالب ترکیب شوند. به عنوان مثال یک قلب نیاز به داشتن دریچه‌هایی با جزئیات دقیق می‌باشد. به دلیل اندازه بسیار کوچک اندام نوزادان و همچنین جزئیات بالای آن‌ها، تنها راه ایجاد قالب برای این قسمت‌ها چاپ سه بعدی بود.

هنگامی که قفسه سینه و اندام‌‌ها با هم ترکیب می‌شوند، مارک مایعی را وارد مانکن می‌کند و با استفاده از دو دوربین و سنسور نصب شده، در تمامی مراحل آزمایش واکنش مربوط به هر قسمت از مدل را ثبت می‌کند.

تحقیقات مارک در ایجاد مانکن‌های فوق واقع‌گرایانه در نوزادان بیمار متوقف نمی‌شود چرا که کاربردهای گسترده‌تری نیز وجود دارد. وی در ادامه توضیح می‌دهد:

«من معتقدم که توسعه و پیشرفت آنچه ما در اینجا شروع کردیم می‌تواند به تحقیقات پزشکی در حوزه‌های وسیع‌تری کمک کند. ما مستعد تولید مدل‌های واقعی از سایر اعضای بدن هستیم تا آموزش پزشکی را برای اقدامات اضطراری و بارداری تقویت کنیم.»

مطالعه موردی فوق توسط آزمایشگاه D.search و Jasper Sterk که هر دو در ای نتحقیق بسیار کمک کردند، میسر شده است.