Antti Mäkitie, Kaija-Stiina Paloheimo, Roy Björkstrand, Mika Salmi, Risto Kontio, Jari Salo, Yongnian Yan, Markku Paloheimo ja Jukka Tuomi KATSAUS Teollisen pikavalmistuksen lääketieteelliset sovellukset Pikavalmistusmenetelmät on alun perin kehitetty teollisuuden käyttöön ja erityisesti tuotekehityksessä tarvittavien prototyyppien, työvälineiden ja komponenttien valmistukseen. Niiden lääketieteelliset sovellusmahdollisuudet laajenevat ja kehittyvät jatkuvasti. Alan tarkempi luokittelu ja termistö ovat vasta selkiytymässä. Nykyisissä sovelluksissa erotetaan viisi pääryhmää: 1) leikkausta edeltävä suunnittelu, kirurginen harjoittelu ja opetus, 2) inertit implantit, 3) kirurgiset työvälineet sekä toimenpiteisiin liittyvä erityisvälineistö, 4) postoperatiiviset ohjaimet ja toimenpiteiden ulkopuoliset pitkäaikaiset tuet ja apuvälineet sekä 5) keinokudos. Näistä neljä ensimmäistä ovat jo yleisesti käytössä mutta viimeksi mainittu on vielä tutkimusasteella. Katsauksessa esitellään valmistavan teollisuuden kehittämiä ja eri sovelluksiin käyttämiä pikavalmistusmenetelmiä, jotka ovat nyt siirtymässä lääketieteen käyttöön, sekä pohditaan tämän kehityksen luomia mahdollisuuksia esimerkkien avulla. Pikavalmistukseen kohdistuvaa tutkimustyötä on tehty Suomessa jo 20 vuoden ajan teollisten sovellusten alueella. Andre Dolencin Teknillisessä korkeakoulussa vuonna 1993 julkaistua tutkimusta pidetään maailman ensimmäisenä pikavalmistukseen liittyvää tietotekniikkaa käsittelevänä väitöskirjana. Valmistustekniikoiden ja kuvantamismenetelmien kehittyessä ja monitieteisen yhteistyön avulla on päästy uuteen vaiheeseen. Pikavalmistuksen (rapid prototyping and manufacturing, RP&M) eri menetelmien kehittymisen myötä on päästy kehittämään myös tämän alan lääketieteellisten sovellusten termistöä, johon perustuva luokittelu esitellään tässä katsauksessa. Haastavimmat tutkimuksen ja kehitystyön kohteena olevat lääketieteelliset sovellukset liittyvät keinokudosten pikavalmistukseen (biomanufacturing). Pikavalmistus Määritelmän mukaan pikavalmistus tarkoittaa fyysisen kappaleen valmistusta suoraan numeerisen määrityksen (3D-CAD, 3-dimensional computer aided design) pohjalta nopeasti ja täysin automaattisesti prosessissa, jossa ei ole geometrisia rajoituksia (Tuomi 2003). Kuvassa 1 on esimerkkejä pikavalmistetuista kappaleista. Valmistustekniikat on jaettu totunnaisesti muovaaviin menetelmiin, joissa esimerkiksi kiinteä materiaali pakotetaan tai juokseva materiaali valetaan haluttuun muotoon, ja materiaalia poistaviin menetelmiin, joissa aihiosta poistetaan materiaalia niin, että saavutetaan haluttu muoto. 1980- ja 1990-lukujen taitteessa materiaalia lisäävät valmistusmenetelmät alkoivat kehittyä teollisesti sovellettaviksi. Tämä ryhmä poikkeaa niin paljon kahdesta edellä mainitusta, että siitä on alettu käyttää nimitystä pikavalmistus. Tämän termin rinnalla käytetään kirjallisuudessa myös muita nimityksiä, kuten free form fabrication, CAD-oriented manufacturing, desktop manu- 143 Duodecim 2010;126:143 51
KATSAUS Kuva 1. Pikavalmistettuja kappaleita. Vasemmalla esimerkki monimutkaisten geometristen muotojen toteutusmahdollisuuksista, keskellä esimerkki pikavalmistetusta kokoonpanosta ja oikealla monimutkainen tuulimittarin mekanismi. 144 facturing, layer manufacturing, solid freeform fabrication ja material ingress manufacturing (Kruth 1991, Tuomi 2003). Kaupalliset pikavalmistuslaitteet valmistavat kappaleita kerros kerrokselta periaatteella (kuva 2). Myös vaihtoehtoisia menetelmiä on esitetty, mutta ne eivät ole saavuttaneet kaupallista menestystä. Esimerkkinä niistä Kuva 2. Kerros kerrokselta valmistuksen periaate (ylhäällä) ja sen sovelluksena kallonpohjan pikavalmistettu malli opetuskäyttöön (alhaalla). Kallonpohjan mallissa on paikoitellen nähtävissä kerrosrakenne. mainittakoon ballistic particle manufacturing (BPM). Siinä kappale valmistetaan ruiskuttamalla aihioon materiaalia haluttuun kohtaan pieninä pisaroina, joiden halkaisija on noin 50 mikrometriä (Richardson 1991). Pikavalmistusprosessi, jossa kappaleet valmistuvat automaattisesti 3D-CAD-mallista fyysiseksi kappaleeksi, on erittäin tarkka verrattuna esimerkiksi käsityöhön ja sopii vapaamuotoisten kappaleiden valmistukseen. Se on myös hyvin yksinkertainen verrattuna esimerkiksi manuaaliseen koneistukseen tai numeerisesti ohjatussa työstökoneessa tapahtuvaan valmistukseen. Tulkintaa kappaleen suunnittelupiirteistä valmistuspiirteiksi, aihion määritystä ja työnvaiheiden suunnittelua kiinnittimineen ja työkaluineen ei pikavalmistuksessa tarvita. Pikavalmistuksen edellyttämät viisi päävaihetta ovat 1) kolmiulotteinen mallinnus ja STL-tiedoston (stereolitografiatiedosto) prosessointi, 2) pikavalmistuksen layout-suunnittelu, 3) pikavalmistuslaitteen ohjauskoodin generointi, 4) pikavalmistus ja 5) kappaleen viimeistely ja jälkikäsittely. Vaiheistuksessa ja toimenpiteiden yksityiskohdissa esiintyy laitteen ja käytettävien ohjelmistojen mukaan useita variaatioita. Pikavalmistettua kappaletta tarvitsevan kannalta prosessi on yksinkertainen, koska tyypillisesti pikavalmistuslaitetta operoiva tai muu palvelujen tarjoaja huolehtii vaiheista 2 5. Soveltajan kannalta on tosin tär- A. Mäkitie ym.
keää ymmärtää prosessin periaatteet ja se, että eri pikavalmistusmenetelmät soveltuvat eri tarkoituksiin. Varsinkin pikavalmistuksen lääketieteellisissä sovelluksissa on hoitoprosessin laadun kannalta keskeistä, että käytetään kuhunkin sovellukseen parhaiten soveltuvaa menetelmää ja materiaalia. Kolmiulotteista mallinnusta tarvitaan kappaleen geometrian matemaattista määritystä varten. Mallinnuksen lähtötietoina voivat olla esimerkiksi idea, piirustus, luonnos tai digitoidut tai kuvannetut (magneettikuvaus, tietokonetomografia) geometriatiedot. Käytettävän mallinnusjärjestelmän on tuettava kappaleen geometrian prosessointia järjestelmänsisäisestä esitysmuodosta pikavalmistuslaitteiston ohjausjärjestelmän ymmärtämäksi STL-tiedostoksi. Tässä kappaleen geometria kuvataan pintamallina, jossa kappaleen kaikki pinnat on määritetty kolmioista muodostuvana verkkona. Kolmioinnin periaate on esitetty kuvassa 3. Pikavalmistus tapahtuu automaattisesti, kun laitteistolle on annettu menetelmäkohtaiset valmistusprosessiin vaikuttavat parametrit. Riippumatta kappaleen monimutkaisuudesta tai rakenteen yksityiskohdista tämä vaihe tapahtuu laitteessa täysin automaattisesti. Wohlersin ym. (2008) mukaan maailmassa on noin 30 pikavalmistuslaitteistoja kehittävää ja myyvää valmistajaa, jotka edustavat noin kymmentä eri menetelmää. Seuraavassa esitellään pursotuksen (fused deposition modeling, FDM), stereolitografian (stereolithography, SLA) ja lasersintrauksen (selective laser sintering, SLS) periaatteet. Nämä eroavat toisistaan mm. materiaalin, saavutettavan kerrospaksuuden, nopeuden, tarkkuuden ja hinnan suhteen. Esimerkiksi lääketieteessä eri luokkiin sijoittuvilla sovelluksilla on käyttötarkoituksensa sanelemia ominaisuuksia (esimerkiksi kovuus, läpinäkyvyys, resorboituvuus), ja jotkin ominaisuusvaatimukset (esim. paino, lähetettävyys, särmäisyys, hauraus) esitetään tuotteen käyttäjän tilauksessa. FDM-menetelmässä (kuva 4) kappale valmistetaan pursottamalla sulaa tai plastisessa tilassa olevaa materiaalia suuttimen kautta edellisten kerrosten päälle. Materiaali jähmettyy nopeasti ja muodostaa kiinteän kappaleen Kuva 3. Vasemmanpuoleinen näkyvä kappale on kolmioitu STL-tiedostoksi oikealle. Kolmioita tihentämällä päästään pikavalmistuksessa suurempaan toistotarkkuuteen. Kuva 4. Fused deposition modeling (FDM). yhdessä aiemmin pursotetun materiaalin kanssa. Suutin liikkuu x-y-tasossa ja kappaleen korkeussuuntainen ulottuvuus (z-koordinaatti) muodostetaan ohjaamalla rakennustason korkeutta suuttimeen verrattuna. Stereolitografiassa (kuva 5) käytetään hyväksi fotokovettuvien polymeerien ominaisuutta, muovin polymeroitumista valon vaikutuksesta. Kappale kovetetaan nestemäisen muovin pinnalla kerros kerrokselta. Kulloinkin valmistettavana oleva kerros on nestesäiliön pinnalla, johon peilioptiikan avulla tuodaan muovin kovettumisen ja alempiin kerroksiin kiinnittymisen aiheuttava lasersäde. Kerroksen kovettamisen jälkeen kappaletta lasketaan valitun kerrosvahvuuden verran alaspäin nesteessä ja nestepinta kappaleen päällä Teollisen pikavalmistuksen lääketieteelliset sovellukset
KATSAUS valmistaa kappaleita mm. titaanista, kobolttikromista ja ruostumattomasta teräksestä. Lääketieteelliset sovellukset Kuva 5. Selective laser sintering (SLS). Kuva 6. Stereolitografia (SLA). 146 tasataan pyyhkimellä. Valmis kappale on lopulta rakentunut nestepinnan alapuolelle. Selective laser sintering (kuva 6) on periaatteeltaan hyvin samanlainen prosessi kuin stereolitografia. Erona on, että materiaalina käytetään pulvereita (muovia, metallia, keraamia) ja laseria käytetään tuomaan pulverin pintaan tarkasti kohdennettu lämpö, joka sulattaa tai sintraa kulloinkin valmistettavana olevan kerroksen kiinni aiemmin valmistettuihin. Lopputuloksena kappaleet valmistuvat pulverisäiliön sisään ja ovat sulattamattoman pulverin ympäröiminä. Koska sulattamaton pulveri tukee kappaletta valmistusprosessin aikana, ei varsinaisia prosessinaikaisia tukirakenteita tarvita. Menetelmästä on useita eri versioita. Esimerkiksi DMLS (direct metal laser sintering) soveltuu erityisen hyvin lääketieteellisiin sovelluksiin, koska siinä voidaan Lääketieteen sovelluksissa on edetty leikkausta edeltävään suunnitteluun (kuva 7), leikkauksen harjoitteluun ja opetukseen tarkoitetuista malleista (vrt. teollisuudessa prototyypit) implantteihin, jotka on pikavalmistettu inerteistä biomateriaaleista, edelleen ainutkertaisiin kirurgisiin instrumentteihin ja työvälineisiin, hoidossa käytettäviin tukiin, ohjaimiin ja muihin apuvälineisiin ja viimein keinokudosten pikavalmistukseen (vrt. teollisuuden komponentit). Kaikkia edellä mainittuja on käytetty lääketieteessä, mutta mitä pidemmälle kehityskaarella on edetty, sitä vähemmän varsinaisista käytännön sovelluksista on raportoitu. Vasta viimeaikainen nopea kehitys biomateriaalien sekä solu-, molekyyli- ja kehitysbiologian alueilla on tehnyt mahdolliseksi puhua keinokudosten pikavalmistuksesta, joka vaatii moniammatillista osaamista, tutkimusta ja yhteistyötä. Miksi pikavalmistusta on mahdollista soveltaa lääketieteessä? Pikavalmistusmenetelmää käytettäessä voidaan mallintamalla konkretisoida tietyn potilaan tilannetta. Yleisesti käytössä olevat tietokonetomografia- (TT) Kuva 7. Kallomalli, joka on pikavalmistettu stereolitografiamenetelmällä preoperatiiviseen suunnitteluun valon vaikutuksesta kovettuvasta materiaalista. A. Mäkitie ym.
ja magneettikuvaustiedostot (MK) ovat käytettävissä tässäkin prosessissa. Hankalistakin muodoista ja rakenteista saadaan muodostettua kolmiulotteinen malli leikekuvien (TT ja MK) perusteella. Kerros kerrokselta periaatteella toimiva pikavalmistus puolestaan pystyy tuottamaan nämä hankalat muodot ja rakenteet. Kolmiulotteisen anatomian ymmärtäminen on monen lääketieteen erikoisalan työssä keskeistä. Erityisesti leikkauksen suunnittelua, harjoittelua ja näihin liittyvää kommunikaatiota niin leikkaavien lääkäreiden kesken kuin potilaan kanssa on helpotettu fyysisillä malleilla. Pikavalmistus myös yhdistää lääketieteellistä ja teknistä osaamista mielekkäällä tavalla (proteesit, implantit, työ- ja apuvälineet). Preoperatiivisessa suunnittelussa, harjoittelussa ja opetuksessa käytettävät mallit. Pikavalmistuksen avulla on tehty kolmiulotteisia malleja leikkausten suunnitteluun ja harjoitteluun (Webb 2000, Holma ym. 2002, Mäkitie ym. 2008). Näin on voitu esimerkiksi etukäteen muotoilla murtuman korjaukseen tarvittavat levyt käyttäen akryylihartsimalleja, jotka vastaavat todellisia luisia murtumakappaleita (Winder ja Bibb 2005). Monet erikoisalat ovat hyödyntäneet pikamallinnuksen mahdollisuuksia suunniteltaessa harvinaisten anomalioiden tai kolmiulotteisesti vaikeasti hahmotettavien rakenteiden hoitoa (McGurk ym. 1997, Kim ym. 2008, Turgut ym. 2009). Inertit implantit. Biomateriaalilla tarkoitetaan kudosten hoitamiseen tai korjaamiseen käytettävää elimistölle vierasta ainetta (Peltola ym. 2009). Yhdistämällä lääketieteellinen kuvantaminen, 3D-CAD-suunnittelu ja pikavalmistus voidaan tuottaa tarkkoja potilaskohtaisia implantteja. Suunnitteleminen tietokoneella mahdollistaa halutunlaisen implantin tekemisen juuri kyseiselle potilaalle ja juuri haluttuun paikkaan. Suunniteltu implantti voidaan sitten pikavalmistaa inertistä materiaalista, kuten titaanista tai kobolttikromista. Menetelmä myös vähentää käsityön määrää. Esimerkiksi Suomessa on äskettäin tehty silmäkuopan rekonstruktioimplantti käyttämällä menetelmää, joka on kehitetty TKK:n BIT Tutkimuskeskuksen Tekes-rahoitteisessa BIOMAN-hankkeessa (kuva 8) (Salmi Kuva 8. Virtuaalikuva suunnitellusta silmänpohjaimplantista (ylhäällä) ja valmis implantti preoperatiivisessa kallomallissa (alhaalla). Kallomalli on valmistettu polyamidista SLS-menetelmällä (selective laser sintering) ja verkkomainen implantti titaanista DMLS-menetelmällä (direct metal laser sintering). 2009). Potilaan silmän virheasento korjattiin pienentämällä silmäkuopan tilavuutta. Silmäkuopan pohjan alkuperäinen muoto saatiin peilaamalla rakenne terveeltä puolelta ja siirtämällä se oikealle paikalle vammautuneeseen silmäkuoppaan. Aluksi tehtiin teräsmalli, jota käytettiin harjoitusleikkauksessa kallomallin avulla, ja vasta sen jälkeen valmistettiin varsinainen titaaninen istute. Tämä yksilöllinen istute asetettiin silmäkuoppaan ja kiinnitettiin sen luiseen pohjaan ruuvein. Toimenpide sujui ongelmitta ja istute asettui paikoilleen täsmällisesti. Kirurgiset työvälineet ja erityisvälineistö. Pikavalmistus palvelee tarvittaessa myös kirurgisten erikoisinstrumenttien tai hoidossa tarvittavien yksilöllisten apuvälineiden valmistamisessa silloin, kun kaupallista vastaavaa tuotetta ei ole saatavissa. Samoin lääketieteellisessä tutkimustyössä tarvittavien erikoislaitteiden tai välineiden valmistuksessa esimerkiksi käsin tehdyt custom made ratkaisut voidaan ohittaa pikavalmistamalla esineet tietokone- 147 Teollisen pikavalmistuksen lääketieteelliset sovellukset
KATSAUS avusteisesti suunniteltujen mallien mukaisesti (Tek ym. 2008). Esimerkiksi useissa pään alueen leikkauksissa tarvittavat instrumentit ovat optimaaliselta geometrialtaan hyvin monimutkaisia. Pikavalmistuksella pystytään saamaan aikaan lähes mielivaltaisia geometrisia muotoja myös metallisina, joten mahdollisuudet operaatiokohtaisten tai tiettyyn leikkausmenettelyyn räätälöityjen instrumenttien suunnitteluun ja prototyyppien tai useamman kappaleen valmistukseen ovat hyvät. BIOMAN-projektissa on valmistettu esimerkiksi prototyyppi alaleuan murtuman korjauksessa tarvittavasta pihtimäisestä erikoistyökalusta (kuva 9). Tältä leikkauskohtaisen instrumentin kehitystyöltä odotetaan paitsi nykyistä paremmin toimivaa instrumenttia myös lisää tietoa tämän sovellusalueen suunnittelusäännöistä, prosessoinnista ja yleisesti vastaavanlaisen pikavalmistuksen hyödyntämisestä. Tällainen työkalu voidaan pikavalmistaa käytettäväksi rajatussa määrässä leikkauksia, tietyn ammattiryhmän suppeaan käyttöön tai laajemman teollisen valmistuksen prototyypiksi. Postoperatiiviset ohjaimet ja toimenpiteiden ulkopuoliset pitkäaikaiset tuet ja apuvälineet. Potilaan anatomiasta ja hoitomenetelmistä aiheutuvat erot voidaan ohittaa pikavalmistuksen mahdollistamilla yksilöllisillä apuvälineillä. Tämän alueen tunnetuin sovellusesimerkki on Align Technology Inc:n kehittämä hampaiden oikaisuhoitomenetelmä Invisalign, jossa valmistetaan potilaskohtainen sarja hampaidenoikaisukojeista (Boyd ja Waskalic 2001). Menetelmän etuna on, että kojeet on valmistettu muovista ja että niiden käyttö koetaan miellyttäväksi mm. niiden huomaamattomuuden vuoksi. Yhtiö raportoi hoidettujen tai hoidossa olevien potilaiden globaalin lukumäärän olevan jo lähes miljoona (www. aligntech.com). Keinokudosten pikavalmistuksesta on syntymässä oma erityinen soveltava tieteenhaaransa, jossa yhdistyvät biofysiikka ja -kemia, fysiologia, solu-, molekyyli- ja kehitysbiologia (mm. kantasolututkimus, kudosten valmistus), kuvantaminen, mallintaminen, materiaali-, valmistus- ja tietotekniikka sekä koneautomaatio. Siihen sisältyvät siis olennaisena osana pikavalmistuksen menetelmät, prosessit ja biomateriaalit. Biomateriaalille asetetaan tässä sovellusalueen mukaisesti erilaisia odotuksia, jotka liittyvät esimerkiksi biokompatibiliteettiin, osteokonduktiivisuuteen tai induktiivisuuteen, huokoskokoon, resorboituvuuteen ja tunnettuihin kudosvaikutuksiin. Materiaalin teollinen muotoiltavuus ja valmistus menetelmillä, jotka tuottavat ihmiselimistöön turvallisesti asetettavissa olevan implantin, on erityisen suuri haaste. Ensimmäisessä vaiheessa on odotettavissa kliinisiä sovelluksia, joissa kudospuutoksia korvataan pikavalmistetuilla potilaskohtaisilla kudosrakenteilla. Tästä sovellus alueesta ehdotamme käytettäväksi nimitystä keinokudosten pikavalmistus (rapid biomanufacturing, RBM, tai biomanufacturing, BM). Alueella yhdistyvät valmistus- 148 Kuva 9. Pikavalmistettu prototyyppi erikoistyökalusta käytettäväksi alaleuan murtuman korjauksessa. Kappaleen materiaalina on sterilisoitavissa oleva ruostumaton teräs. A. Mäkitie ym.
teknologiset ja biotieteelliset ajatukset keinokudosten ja elinten rakenteiden tai kokonaisuuksien valmistamisesta pikavalmistuksen menetelmin. Keinokudosten pikavalmistuksessa tuotetaan solumitoitettu tukirunko, joka muodostaa tarttumapinnan soluille, toimii väliaikaisena (resorboituvuus) mekaanisena kohde-elinspesifisenä tukirunkona ja luo edellytykset tarkoituksenmukaiselle toiminnalle (kuva 10). Tukirunko luo edellytykset solujen lisääntymiselle ja soluvälitilan muodostumiselle, ja siinä sekä rungon että runkomateriaalin huokoisuus ovat solujen kasvulle sopivia (Yeong ym. 2004). Sen fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet mahdollistavat solusignaloinnin. Hajoamisnopeus on ennakoitavissa ja mahdollisesti säädeltävissä, ja rakenteen hajoamistuotteet ovat myrkyttömiä. Tukirunkomateriaalien kliinisten sovellusten lisäksi myös erityyppisten solujen kasvatusolosuhteiden ja kohde-elimien valmistamista koskeva tutkimus on vilkasta (Wang ym. 2007, Peltola ym. 2008, Mironov ym. 2008). Pikavalmistuksen edut tukirakenteiden valmistuksessa ovat toistettavuus, luotettavuus sekä mahdollisuus suunnitella ja tuottaa geometrisesti hankaliakin rakennemalleja (Stevens ym. 2008). Koska optimaalinen tukirunko siis näyttää olevan monimutkainen, kolmiulotteinen ja eri mate riaaleja tähän geometriaan yhdistelevä kappale, on pikavalmistus ilmeisen sopiva tukirunkojen valmistustapa. Tulevaisuus YDINASIAT 88Teollisuuden kehittämät pikavalmistusmenetelmät ovat siirtymässä lääketieteen käyttöön. 88Monet sovellukset ovat jo yleisesti käytössä (preoperatiiviset mallit, inertit implantit jne.) 88Kuhunkin käyttötarkoitukseen on valittava siihen parhaiten soveltuva valmistusmenetelmä ja materiaali. 8 8 Haastavimmat sovellukset liittyvät tekokudosten pikavalmistukseen. Mitä rajoituksia pikavalmistusmenetelmillä on lääketieteen sovelluksissa? Eri pikavalmistusmenetelmiä hyödyntävät prosessit ovat toistaiseksi hitaita. Prosessien ja logistiikan kehittyessä ja erikoistuessa nämä prosessit no- Kuva 10. Vasemmalla 3D-geometriatutkielma poskiluun puutoksen korjauksessa käytettävästä tukirungosta (solujen kasvun tuki). Se on tehty polyamidista SLS-menetelmällä (selective laser sintering). Oikealla vastaavaa anatomista rakennetta kuvaava kallomalli. 149 Teollisen pikavalmistuksen lääketieteelliset sovellukset
KATSAUS peutunevat. Luonnollisesti toimitusnopeutta arvioitaessa tulos pitää suhteuttaa vaihtoehtoisia valmistusmenetelmiä hyödyntävien prosessien nopeuteen. Tässä varmaankin kehitys muuttaa tilannetta. Yksittäisten sovellusten hinta on toistaiseksi ollut korkea, koska kappalemäärät ovat pieniä joskus on kyse yhdestä yksilöllisestä mallista tai implantista. Hinta muodostuu pääasiassa suunnittelukuluista ja muista prosessin osien kustannuksista ja itse valmistuksen hinta on yleensä riippumaton kappalemääristä. Tarkkuus on parantunut kuvantamismenetelmien kehittyessä, mutta vieläkin joudutaan yleisesti korjailemaan kuvantamistiedostoissa olevia puutteita ja virheitä. Biomateriaalit kehittyvät jatkuvasti ja pikavalmistuksen innovaatioita on tutkimustyön kohteena (Narayan 2007, Mironov ym. 2008). Teknologia kehittyy yksinkertaisemmaksi ja helppokäyttöisemmäksi. Monet lääkärit eivät tunne alaa vielä niin hyvin, että ymmärtäisivät pikavalmistusmenetelmien käytöstä saatavan hyödyn omalle työlleen. Useat kirurgit eivät vielä tiedä preoperatiivisten mallien mahdollisuuksista. Menetelmän käyttö ei myöskään sisälly esimerkiksi leikkausten hinnoitteluperusteisiin edes yliopistosairaaloissa. Toistaiseksi pikavalmistusteknologia ei ole tullut sairaaloihin vaan välimatkat aiheuttavat mm. aikalisää toimituksiin. * * * Kiitämme Tekesiä, DeskArtes Oy:tä, EOS Finland Oy:tä, Inion Oy:tä ja Planmeca Oy:tä projektirahoituksesta sekä DI Pekka Paavolaa valokuvaustyöstä. ANTTI MÄKITIE, professori, osastonylilääkäri HYKS:n korva-, nenä- ja kurkkutautien klinikka PL 220, 00029 HUS ja Teknillinen korkeakoulu, BIT-tutkimuskeskus, Espoo YONGNIAN YAN, Professor emeritus, Director Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University, Beijing, China and Rapid Forming Technology Committee Chinese Mechanical Engineering Society JARI SALO, dosentti, erikoislääkäri HYKS:n ortopedian ja traumatologian klinikka KAIJA-STIINA PALOHEIMO, FM, tutkija, projektipäällikkö ROY BJÖRKSTRAND, tekn. yo., tutkija MIKA SALMI, DI, tutkija MARKKU PALOHEIMO, LKT, dosentti, tutkija JUKKA TUOMI, TkL, tutkimuspäällikkö Teknillinen korkeakoulu, BIT-tutkimuskeskus, Espoo RISTO KONTIO, LT, erikoislääkäri HYKS:n suu- ja leukakirurgian klinikka Sidonnaisuudet Markku Paloheimo on toiminut GE:n Medical Adviserina. Muilla kirjoittajilla ei ole sidonnaisuuksia. Summary Medical applications of rapid prototyping Three-dimensional bodies for planning and implementation of treatment and for tissue replacement The possibilities of medical applications of rapid prototyping are continuously expanding and developing. In current applications, five main groups are distinguished: 1) preoperative planning, surgical training and teaching, 2) inert implants, 3) surgical instruments and special equipment associated with the operations, 4) postoperative guides, long-term supports and aids and 5) artificial tissue. The first four of these are already in general use, whereas the last one is still under investigation. 150 A. Mäkitie ym.
KIRJALLISUUTTA Boyd RL, Waskalic V. Three-dimensional diagnosis andorthodontic treatment of complex malocclusions with the invisalign appliance. Semin Orthod 2001;7:274 93. Dolenc A. Software tools for rapid prototyping technologies in manufacturing. Väitöskirja. Helsinki: Finnish Academy of Technology 1993. Holma T, Löppönen H, Alamäki O, ym. Pikamallitekniikan lääketieteelliset sovellukset. Suom Lääkäril 2002;57:891 6. Kim MS, Hansgen AR, Carroll JD. Use of rapid prototyping in the care of patients with structural heart disease. Trends Cardiovasc Med 2008;18:210 6. Kruth JP. Material ingress manufacturing by rapid prototyping techniques. Annals of the CIRP 1991;40:603 14. McGurk M, Potamianos P, Amis AA, Goodger NM. Rapid prototyping techniques for anatomical modelling in medicine. Ann R Coll Surg Engl 1997; 79:169 74. Mironov V, Kasyanov V, Drake C, Markwald RR. Organ printing: promises and challenges. Regen Med 2008;3:93 103. Mäkitie A, Kanerva J, Paloheimo M, ym. Uusi kallomalli korvaporauksen harjoitteluun. Duodecim 2008;124:1979 85. Narayan R. Recent developments in rapid prototyping of biomaterials. Biotechnol J 2007;2:1340 1. Peltola SM, Melchels FPW, Grijpma DW, Kellomäki M. A review of rapid prototyping techniques for tissue engineering purposes. Ann Med 2008;40:268 80. Peltola M, Aitasalo K, Tirri T, Rekola J. Biomateriaalit kallon alueen luupuutosten hoidossa. Suom Lääkäril 2009;64:815 20. Richardson KE. The production of wax models by the ballistic particle manufacturing process. 2 nd International Conference on Rapid Prototyping. University of Dayton, OH, 1991. Salmi M. Potilaskohtaisten implanttien suunnittelu ja pikavalmistus. Diplomityö. Espoo: Teknillinen korkeakoulu, koneenrakennustekniikan laitos 2009. Stevens B, Yang Y, Mohandas A, Stucker B, Nguyen KT. A review of materials, fabrication methods, and strategies used to enhance bone regeneration in engineered bone tissues. J Biomed Mater Res Part B: Appl Biomater 2008;85B:573 82. Tek P, Chiganos TC, Mohammed JS, ym. Rapid prototyping for neuroscience and neural engineering. J Neurosci Methods 2008;172:263 9. Tuomi J. Rapid prototyping and manufacturing applications and effects of the applications on companies product development processes. Licentiate Thesis. Helsinki: University of Technology, Department of Mechanical Engineering 2003. Turgut G, Sacak B, Kiran K, Bas L. Use of rapid prototyping in prosthetic auricular restoration. J Craniofac Surg 2009;20:321 5. Wang X, Yongnian Y, Zhang R. Rapid prototyping as a tool for manufacturing bioartificial livers. Trends Biotechnol 2007;25:505 13. Webb PA. A review of rapid prototyping techniques in the medical and biomedical sector. J Med Eng Technol 2000;24:149 53. Winder J, Bibb R. Medical rapid prototyping technologies: State of the art and current limitations for application in oral and maxillofacial surgery. J Oral Maxillofac Surg 2005;63:1006 15. Wohlers T ym. Wohlers report. Rapid prototyping & tooling state of the industry annual wordwide progress report. Fort Collins, Colorado, Yhdysvallat: Wohlers Associates 2008. Yeong WY, Chua CK, Leong KF, Chandrasekaran M. Rapid prototyping in tissue engineering: challenges and potential. Trends Biotechnol 2004;22:643 52. 151 Teollisen pikavalmistuksen lääketieteelliset sovellukset