Hoe 3D-printen medische implantaten en instrumenten aanpast

Medische implantaten en instrumenten worden vaak in standaardmaten geproduceerd, maar deze aanpak kent beperkingen omdat geen twee patiënten exact hetzelfde zijn. Wanneer een hulpmiddel niet perfect bij iemands lichaam past, kan dit leiden tot langere operaties of een hoger risico op complicaties. 3D-printen biedt een oplossing door de creatie van medische hulpmiddelen mogelijk te maken die zijn afgestemd op de anatomie van een individuIn dit artikel wordt uitgelegd hoe de technologie wordt gebruikt om op maat gemaakte implantaten, chirurgische instrumenten en anatomische modellen te maken die de gezondheidszorg verbeteren.

Het kernproces: van patiëntenscan tot fysieke oplossing

Het creëren van een op maat gemaakt, 3D-geprint medisch hulpmiddel is een eenvoudig proces dat de medische scan van een patiënt omzet in een eindproduct dat klaar is voor gebruik tijdens een operatie.

Stap 1: De patiënt scannen

Een MRI- of CT-scan met hoge helderheid is de eerste stap in het proces. Deze scans maken honderden foto's van het lichaam van de patiënt, die artsen precies vertellen hoe groot een bot, orgaan of bloedvat is. Deze gedetailleerde informatie is de basis voor de op maat gemaakte gadget.

Stap 2: Het 3D-ontwerp maken

Vervolgens gebruiken medische ingenieurs gespecialiseerde CAD-software, zoals Mimics of 3-matic, om de 2D-scanbeelden om te zetten in een exact 3D-digitaal modelSamen met het operatieteam gebruiken ze dit model om ervoor te zorgen dat het op maat gemaakte implantaat of de chirurgische gids tot op de millimeter precies op het lichaam van de patiënt past.

Stap 3: Het apparaat afdrukken

Het laatste ontwerpbestand wordt naar een 3D-printer van medische kwaliteit, waardoor het object laag voor laag wordt gemaakt. Het gebruik bepaalt het gebruikte materiaal. Sterke titaniummetalen worden vaak gebruikt voor permanente implantaten omdat ze sterk en biocompatibel zijn. Polymeren zoals PEEK kunnen ook worden gebruikt omdat ze zich als bot kunnen gedragen. Anatomische modellen en chirurgische geleiders worden vaak gemaakt met biocompatibele harsen. Als het materiaal metaal is, is de printmethode Selectief lasersmelten (SLM)en als het materiaal plastic is, is het Stereolithografie (SLA).

Stap 4: Afwerking en sterilisatie

Na het printen ondergaat het apparaat de laatste bewerking. Dit houdt in dat alle ondersteunende structuren worden verwijderd, het oppervlak glad wordt gemaakt en soms wordt verhit om het sterker te maken. Vervolgens wordt het item zeer zorgvuldig gereinigd en gesteriliseerd met gammastraling of een autoclaaf om de veiligheid ervan in de operatiekamer te garanderen.

Toepassing 1: Medische implantaten op maat

Een van de belangrijkste toepassingen van 3D-printen in de geneeskunde is het creëren van op maat gemaakte implantaten die perfect passen bij de patiënt, wat cruciaal is voor een succesvol resultaat op de lange termijn.

Orthopedische implantaten

Standaard gewrichtsprotheses voor knieën, heupen en schouders zijn verkrijgbaar in een beperkt aantal maten. Als de anatomie van een patiënt niet overeenkomt met een van deze standaardmaten, kan de pasvorm niet optimaal zijn. 3D-printen lost dit probleem op door een implantaat te creëren op basis van de CT-scan van de patiënt. Dit zorgt ervoor dat het implantaat precies in het bot past, wat de stabiliteit verbetert en de belasting van het omliggende gebied vermindert. Ontwerpers kunnen ook gespecialiseerde poreuze structuren in het implantaat verwerken, waardoor het eigen bot van de patiënt na verloop van tijd in het implantaat kan groeien. Dit proces, bekend als osseointegratie, zorgt voor een sterkere, meer permanente verbinding.

De belangrijkste voordelen van op maat gemaakte orthopedische implantaten zijn:

• Een nauwkeurige pasvorm die de spanning op het bot minimaliseert.
• Verbeterde stabiliteit voor betere prestaties op de lange termijn.
• Minder risico op losraken of falen van het implantaat.
• Betere osseointegratie dankzij poreuze oppervlakken.

Craniomaxillofaciale (CMF) reconstructie

Deze technologie is ook zeer waardevol bij CMF-chirurgie, waarbij het gezicht, de kaak en de schedel worden hersteld na een verwonding of het verwijderen van een tumor. Vroeger moesten chirurgen tijdens de operatie generieke metalen platen handmatig buigen en vormen om deze gebieden te repareren. Dit duurde lang en de resultaten waren niet altijd optimaal. Door gebruik te maken van het eerder beschreven proces kan nu vooraf een implantaat op maat worden geprint dat precies op het defect pastDit verkort niet alleen de operatietijd, maar leidt ook tot veel betere functionele en esthetische resultaten voor de patiënt.

Toepassing 2: Aangepaste chirurgische instrumenten

Naast implantaten, 3D-printen wordt gebruikt om op maat gemaakte gereedschappen te maken die chirurgen helpen operaties veiliger en effectiever uit te voeren.

Patiëntspecifieke chirurgische gidsen

Dit zijn op maat gemaakte sjablonen die tijdens een operatie direct op het bot van een patiënt worden aangebracht. De geleiders hebben sleuven of gaten die de boor of zaag van de chirurg sturen, waardoor sneden en schroefplaatsingen uiterst nauwkeurig zijn. Bij een knievervangende operatie zorgt een geleider er bijvoorbeeld voor dat het bot in de perfecte hoek voor het nieuwe gewricht wordt gesneden. Dit leidt tot kortere, minder invasieve operaties en helpt zoveel mogelijk gezond bot te behouden, wat de nauwkeurigheid van de eerste scan- en ontwerpfase ten goede komt.

Op maat ontworpen chirurgische instrumenten

Chirurgen kunnen ook instrumenten printen, zoals tangen, klemmen en scalpelhandvatten, die speciaal ontworpen zijn voor een specifieke taak of voor hun eigen handen. Zo kan een chirurg een scalpelhandvat ontwerpen met een aangepaste grip om vermoeidheid tijdens een lange operatie te verminderen. Voor een moeilijke ingreep, zoals het verwijderen van een tumor op een moeilijk bereikbare locatie, kan een uniek gevormde retractor worden ontworpen en geprint voor die ene taak. Deze mate van maatwerk verbetert het comfort en de controle van de chirurg, wat bijdraagt ​​aan betere chirurgische resultaten.

Toepassing 3: Anatomische modellen voor planning en training

Door exacte replica's van de anatomie van een patiënt te printen, kunnen chirurgen, studenten en patiënten complexe medische situaties beter begrijpen.

Chirurgische planning en repetitie

Chirurgen kunnen een 1:1 schaalmodel van een complexe fractuur of tumor printen. Het vasthouden van een fysiek model geeft een veel beter inzicht in de anatomie van de patiënt dan kijken naar een 2D-afbeelding op een scherm. Het stelt het chirurgische team in staat om de relatie tussen een tumor en nabijgelegen bloedvaten te zien, de beste aanpak te plannen en zelfs moeilijke onderdelen van de operatie vooraf te oefenen. Deze voorbereiding helpt verrassingen in de operatiekamer te voorkomen.

Medisch onderwijs

3D-geprinte modellen zijn ook waardevolle leermiddelen voor geneeskundestudentenIn plaats van alleen op leerboeken te vertrouwen, kunnen studenten realistische modellen van verschillende organen en pathologieën vasthouden en onderzoeken. Dit biedt een tastbare manier om anatomie te leren die intuïtiever en effectiever is. De modellen maken complexe structuren gemakkelijker te begrijpen en helpen studenten zich voor te bereiden op klinisch werk in de echte wereld.

Patiëntcommunicatie

Voor patiënten kan het lastig zijn om een ​​diagnose of een geplande operatie te begrijpen. Een arts kan een 3D-geprint model van het lichaamsdeel van de patiënt zelf gebruiken om het probleem en het behandelplan uit te leggenDoor het model te zien en vast te houden, wordt complexe medische informatie inzichtelijker, waardoor patiënten betere vragen kunnen stellen en meer vertrouwen hebben in hun beslissingen.

Huidige uitdagingen in medisch 3D-printen

Ondanks de aanzienlijke voordelen van het maken van op maat gemaakte implantaten, chirurgische instrumenten en anatomische modellen, kent het wijdverbreide gebruik van 3D-printen in de geneeskunde een aantal praktische uitdagingen.

• Complexe regelgevende obstakelsHet verkrijgen van goedkeuring voor patiëntspecifieke apparaten van instanties zoals de FDA is een complex en langdurig proces. De unieke aard van elk op maat gemaakt apparaat maakt standaardisatie lastig, wat een aanzienlijke barrière vormt voor het snel op de markt brengen van nieuwe toepassingen.
• Hoge kosten en onzekere vergoeding: 3D-printers voor medische doeleinden en gespecialiseerde software vereist een grote initiële investering. Bovendien zijn de vergoedingen van verzekeringsmaatschappijen voor op maat gemaakte apparaten nog niet goed geregeld, waardoor de toegang tot deze apparaten een financiële uitdaging vormt voor ziekenhuizen en patiënten.
• Materiële beperkingen: Het aanbod van beschikbare biocompatibele materialen die ook de ideale mechanische eigenschappen (zoals sterkte en flexibiliteit) hebben, is nog steeds beperkt. Er is een dringende behoefte aan een grotere verscheidenheid aan materialen, met name geavanceerde polymeren die veilig door het lichaam kunnen worden opgenomen in de loop van de tijd.
• De kloof in expertise: Er is een tekort aan professionals die over de vereiste interdisciplinaire vaardigheden beschikken in de geneeskunde, techniek en digitaal design. Het samenstellen van effectieve teams en het ontwikkelen van het benodigde talent vereist nieuwe opleidingsprogramma's die nog niet breed beschikbaar zijn.

Deze kwesties met betrekking tot regelgeving, kosten, materialen en expertise vormen de belangrijkste obstakels voor bredere acceptatie. Vooruitgang op deze gebieden is essentieel om gepersonaliseerde medische hulpmiddelen een routinematig en toegankelijk onderdeel van de gezondheidszorg te maken.

Verbeter de patiëntenzorg met 3D-printen!

3D-printen in de geneeskunde is meer dan alleen een nieuwe manier om dingen te maken. Het draagt ​​bij aan het creëren van een nieuwe standaard in de gezondheidszorg, die zich richt op het individu.Door implantaten op maat, nauwkeurigere operaties en een betere voorbereiding mogelijk te maken, draagt ​​de technologie direct bij aan betere patiëntresultaten. De voortdurende ontwikkeling van dit vakgebied wijst op een toekomst waarin medische behandelingen preciezer, effectiever en persoonlijker zijn dan ooit tevoren.

4 veelgestelde vragen over medisch 3D-printen

V1: Kunnen 3D-geprinte organen worden afgekeurd?

A: In theorie nietHet belangrijkste voordeel van bioprinting is dat het de eigen cellen van de patiënt gebruikt om een ​​orgaan te bouwen. Omdat het orgaan wordt gemaakt van het eigen biologische materiaal van de patiënt, zou het immuunsysteem het moeten herkennen en geen afstoting veroorzaken. Dit zou de noodzaak van de immunosuppressieve medicijnen die nodig zijn bij traditionele transplantaties, overbodig maken.

Q2Hoe lang duurt het om een ​​orgaan te bioprinten?

A: Het proces is langdurig en varieert afhankelijk van de complexiteit van het orgaan. Hoewel het printen van een scaffold relatief snel kan gaan, is de meest tijdrovende fase de rijping. De geprinte structuur moet weken of maanden in een bioreactor worden bewaard om de cellen te laten uitgroeien tot functioneel weefsel.

V3: Is het mogelijk om een ​​menselijk hart in 3D te printen?

A: Nog nietHoewel er nog geen volledig functioneel, transplanteerbaar menselijk hart is geprint, hebben onderzoekers kleinschalige hartmodellen met levende, kloppende cellen ontwikkeld. Deze modellen zijn momenteel waardevol voor onderzoek en medicijntests, maar een hart op ware grootte voor transplantatie is nog vele jaren verwijderd.

V4: Welke organen worden succesvol 3D geprint?

A: Het succes is vooral behaald met eenvoudigere weefsels en holle structurenWetenschappers zijn al jaren in staat om huid en kraakbeen te printen. Nog indrukwekkender is dat op maat gemaakte 3D-geprinte blazen en luchtpijpen (tracheostomieën) succesvol bij patiënten zijn getransplanteerd. Het printen van complexe, vaste organen zoals nieren of levers blijft echter een grote uitdaging.