3D-tulostus lääketieteessä Eero Huotilainen Aalto-yliopisto, Insinööritieteiden korkeakoulu

Koko: px

Aloita esitys sivulta:

Download "3D-tulostus lääketieteessä. 15.4.2014 Eero Huotilainen Aalto-yliopisto, Insinööritieteiden korkeakoulu"

Päivi Hiltunen
8 vuotta sitten
Katselukertoja:

1 3D-tulostus lääketieteessä Eero Huotilainen Aalto-yliopisto, Insinööritieteiden korkeakoulu

2 Pikavalmistus Pikavalmistus (Rapid Prototyping, Rapid Manufacturing, Additive Manufacturing, Free-form Fabrication, 3D Printing, etc.) on yhteinen nimitys ryhmälle valmistustekniikoita, joilla fyysinen kappale valmistetaan suoraan numeerisen määrittelyn (3D-CAD) pohjalta nopeasti, täysin automaattisesti, geometrisilta rajoituksiltaan vapaassa prosessissa. Tässäkö rakentamisen tulevaisuus? Amsterdamiin nousee 3D-tulostettu talo HS Seitsemänvuotias Sophie halusi lohikäärmeen huipputiedemiehet tekivät HS Pommin silpoma poika sai 3Dtulostetun käden HS

nopeasti, täysin automaattisesti, geometrisilta rajoituksiltaan vapaassa prosessissa. Tässäkö rakentamisen tulevaisuus?

3 Pikavalmistus Muoto -olemassa olevan fyysisen muodon digitointi -mahdollinen muokkaus -uuden luonti Menetelmä -stereolitografia -FDM -inkjet -lasersintraus -ym. ym. Kappale Sovellus Materiaali -tulostusominaisuudet -loppukappaleominaisuudet

-stereolitografia -FDM -inkjet -lasersintraus -ym. ym.

4 Muoto Fyysinen kappale CAD-malli (= digitointi = reverse engineering ) 3D-skannaus koordinaattimittaus (CMM) tietokonetomografia magneettikuvaus muut (lääk.tiet.) kuvantamismetodit (3D-US, PET/SPECT, jne ) CAD-mallin muokkaus CAD STL-kolmioverkko

tietokonetomografia magneettikuvaus muut (lääk.tiet.)

5 Menetelmät (pikavalmistustekniikat) stereolitografia (SLA) lasersintraus/sulatus: selective laser sintering (SLS), direct metal laser sintering (DMLS), selective laser melting (SLM) fused deposition modeling (FDM) electron beam melting (EBM) laminated object modeling (LOM) poly jetting inkjet/binder jet ym. ym. a) b)

sintering (DMLS), selective laser melting (SLM) fused deposition modeling (FDM)

7 Pikavalmistuksen lääketieteellisten sovellusten luokittelu 1. Preoperatiiviset mallit 3. Työkalut, instrumentit ja osat lääkinnällisiin laitteisiin 4. Ulkopuoliset tuet, ohjaimet, lastat ja proteesit 2. Inertit implantit 5. Biomanufacturing Pictures from J. Poukens (2006), Bioman project and Tsinghua University)

Työkalut, instrumentit ja osat lääkinnällisiin laitteisiin 4.

8 Preoperatiiviset mallit Leikkauksen suunnittelu ja harjoittelu Opiskelijoiden harjoitukset, potilaan ja omaisten infoaminen Perustuu potilaan geometriaan, suurennus/pienennys mahdollista Anatominen tarkkuus riippuu käyttötarkoituksesta Kuljetettavuus, säilyvyys, haptinen vaste Pictures from Mäkitie et al. (2009), Duodecim

suurennus/pienennys mahdollista Anatominen tarkkuus riippuu käyttötarkoituksesta

9 Inertit implantit Suorasti tai epäsuorasti pikavalmistettu kudospuutteen korjaukseen Kudosyhteensopivuus, tiukat materiaalivaatimukset, pitkät hyväksyntäprosessit Pitkäaikainen, kestävyys, mekaaniset ominaisuudet, pinnan ominaisuudet Ei juuri muutu potilaan sisällä Voi houkutella solujen tarttumista, mutta pääasiassa passiivinen Sisältää hammassovellukset: kruunut ja sillat Pictures from J. Poukens (2006); Salmi et al. (2009)

pinnan ominaisuudet Ei juuri muutu potilaan sisällä Voi houkutella solujen tarttumista, mutta pääasiassa

10 Työkalut, instrumentit ja osat lääkinnällisiin laitteisiin Mahdollistaa tai tehostaa lääketieteellistä toimenpidettä Potilaskohtaiset mitat ja muodot mahdollisia Invasiivinen, ei implantoitava, steriloitava Pikavalmistettu osa kontaktissa ruumiin nesteiden, limakalvojen, kudosten ja elinten kanssa rajoitetun ajan Ei myrkyllisiä tai allergisia reaktioita, ei irtoavia partikkeleita Sisältää esim. poraohjaimet, kirurgiset istrumentit, ortodonttiset sovellukset Pictures from Mäkitie et al. (2009), Duodecim, in press, and J. Poukens (2006)

limakalvojen, kudosten ja elinten kanssa rajoitetun ajan Ei myrkyllisiä tai allergisia reaktioita, ei irtoavia partikkeleita Sisältää

11 Ulkopuoliset tuet, ohjaimet, lastat ja proteesit Pikavalmistettu osa kehon ulkopuolella ei invasiivinen Voidaan yhdistää standardilaitteisiin mahdollistamaan potilaskohtainen istuvuus Pitkäaikaiset ja postoperatiiviset tuet, (liike) ohjaimet ja fixaattorit Sisältää ulkoiset proteesit ja proteesiholkit, personoidut lastat, ortopediset sovellukset ja hammasraudat Pictures from Björkstrand et al. (2009)

Pitkäaikaiset ja postoperatiiviset tuet, (liike) ohjaimet ja fixaattorit Sisältää ulkoiset proteesit

12 Biomanufacturing Pikavalmistus + tissue engineering Polymeerit, keraamit ja komposiitit, huokoiset rakenteet Muoto personoitu vastaamaan kudospuutosta, optimaalinen morfologia riippuu kudostyypistä Biologisesti yhteensopiva ja aktiivinen Scaffoldit: osteoinduktiivisuus, osteokonduktiivisuus, resorboituvuus säädeltävissä Myös pehmytkudokset ja elimet organ manufacturing Pictures from Mäkitie et al. (2009), Duodecim, in press, and Wang et al. (2006), Tissue Engineering

aktiivinen Scaffoldit: osteoinduktiivisuus, osteokonduktiivisuus, resorboituvuus säädeltävissä Myös pehmytkudokset ja

13 Pikavalmistuksen lääketieteellisten sovellusten luokittelu 1. Preoperatiiviset mallit 3. Työkalut, instrumentit ja osat lääkinnällisiin laitteisiin 4. Ulkopuoliset tuet, ohjaimet, lastat ja proteesit 2. Inertit implantit 5. Biomanufacturing Pictures from J. Poukens (2006), Bioman project and Tsinghua University)

14 Ongelma Vasen Oikea CT-kuva pään takaa

15 Lääketieteellinen 3D-malli Segmentointi Osirix ohjelmistolla (open source) Tiheys 500 HU CT-leikkeiden paksuus 1.3 mm

16 Implantin geometria Punainen pinta peilattu oikealta ja paikoitettu vasemmalle Vihreä pinta hajonneen orbitan reunoista Pintojen yhdistys, pehmennys, viimeistely siirtämällä kontrollipisteitä

hajonneen orbitan reunoista Pintojen yhdistys,

17 Tilavuusverkko Verkotus tehty 3Data Expert -ohjelmistolla (Deskartes Oy, Suomi) Tilavuusverkko sallii kudosten ja solujen kasvaa läpi -> integroituu ympäröiviin kudoksiin, mikä johtaa parempaan ja luonnollisempaan toipumiseen Pienempi massa vähentää herkkyyttä kuumalle ja kylmälle

integroituu ympäröiviin kudoksiin, mikä johtaa parempaan ja

18 Preoperatiivinen malli valmistettu SLS-menetelmällä polyamidista (PA 2200) Preoperatiivinen malli

19 Leikkaus Materiaalina EOS Titanium Ti64ELI Valmistettu DMLS-menetelmällä EOSINT M270 Ti -koneella Implantti on kiillotettu ja sterilisoitu Leikkaus helmikuu 2009

20 Leikkauksen jälkeen Preoperative Postoperative (2 viikkoa)

21 Uusia välineitä esim. CMF-kirurgiaan Uudelleen asemointi Sahaohjain Sahaus Implantti

22 Materiaalit Yhteisenä vaatimuksena valmistettavuus ja soveltuvuus loppusovellukseen Ennen valmistamista nesteenä, kiinteänä, tahnana, pulverina Erilaiset metallit lääketieteellisissä sovelluksissa esim. titaaniseokset, Co-Cr Erilaiset muovit PA, PLA, ABS, ym. Keraamiset materiaalit Seokset, heterogeeniset ominaisuudet (gradientit) Biomateriaalit biohajoavuus pitkän aikavälin tavoitteena esim. toimivan kudoksen tulostus

23 Yhteenveto Potilaskohtaisten implanttien digitaalinen suunnittelu ja pikavalmistus Mahdollistaa implantin tarkan sopimisen paikalleen Vähentää leikkauksen kestoa Parantaa leikkauksen tarkkuutta Vähentää leikkauskuolleisuutta Tilavuusverkko sallii kudosten ja solujen kasvaa lävitseen Pienempi massa vähentää herkkyyttä kuumalle ja kylmälle

Samankaltaiset tiedostot

3D tulostus lääketieteessä. Firpa vuosiseminaari 13.5.2014 Lappeenranta TkT Mika Salmi Aalto Yliopisto

3D tulostus lääketieteessä. Firpa vuosiseminaari 13.5.2014 Lappeenranta TkT Mika Salmi Aalto Yliopisto 3D tulostus lääketieteessä Firpa vuosiseminaari 13.5.2014 Lappeenranta TkT Mika Salmi Aalto Yliopisto 3D tulostuksen teolliset sovellutukset Prototyypit Komponentit Työkalut Tuomi J., Vihtonen L., 2007.