3D-tulostus lääketieteessä 15.4.2014 Eero Huotilainen Aalto-yliopisto, Insinööritieteiden korkeakoulu
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 25.1.2014 Seitsemänvuotias Sophie halusi lohikäärmeen huipputiedemiehet tekivät HS 10.1.2014 Pommin silpoma poika sai 3Dtulostetun käden HS 20.1.2014
Pikavalmistus Muoto -olemassa olevan fyysisen muodon digitointi -mahdollinen muokkaus -uuden luonti Menetelmä -stereolitografia -FDM -inkjet -lasersintraus -ym. ym. Kappale Sovellus Materiaali -tulostusominaisuudet -loppukappaleominaisuudet
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
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)
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)
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
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)
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)
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)
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
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)
Ongelma Vasen Oikea CT-kuva pään takaa
Lääketieteellinen 3D-malli Segmentointi Osirix 2.7.5 -ohjelmistolla (open source) Tiheys 500 HU CT-leikkeiden paksuus 1.3 mm
Implantin geometria Punainen pinta peilattu oikealta ja paikoitettu vasemmalle Vihreä pinta hajonneen orbitan reunoista Pintojen yhdistys, pehmennys, viimeistely siirtämällä kontrollipisteitä
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
Preoperatiivinen malli valmistettu SLS-menetelmällä polyamidista (PA 2200) Preoperatiivinen malli
Leikkaus Materiaalina EOS Titanium Ti64ELI Valmistettu DMLS-menetelmällä EOSINT M270 Ti -koneella Implantti on kiillotettu ja sterilisoitu Leikkaus helmikuu 2009
Leikkauksen jälkeen Preoperative Postoperative (2 viikkoa)
Uusia välineitä esim. CMF-kirurgiaan Uudelleen asemointi Sahaohjain Sahaus Implantti
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
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