پنج قطعه اصلی تجهیزات پزشکی که با پرینت سه بعدی تولید می شوند
پنج قطعه اصلی تجهیزات پزشکی که با پرینت سه بعدی تولید می شوند
مبتکران دائماً در تلاشند تا روند پرینت سه بعدی را بهبود بخشند و احتمال استفاده گسترده آن برای ساخت تجهیزات پزشکی را افزایش می دهند. در سراسر جهان ، از پرینت سه بعدی خواسته شده است تا كمبود تجهیزات پزشکی حیاتی مانند تجهیزات حفاظت شخصی و ونتیلاتورهای ناشی از شیوع Covid-19 را كاهش دهد – ارزش آن را به عنوان جایگزینی برای روشهای سنتی تولید برجسته می كند. جیمی بل نگاهی می اندازد به پنج نوع دستگاه پزشکی که قبلاً با استفاده از پرینت سه بعدی تولید شده اند.
طی بیش از چهار ماه در سال 2018 و 2019 ، صفا و مروه اولا – دوقلوهایی که در بالای سر به هم متصل شدند – پس از یک عمل جراحی پیشگامانه در بیمارستان بزرگ اورموند (GOSH) انگلستان از هم جدا شدند.این شاهکار ، که شامل بیش از 50 ساعت جراحی و سه عمل جراحی جداگانه بود ، بدون استفاده ترکیبی از ساخت افزودنی و فناوری های واقعیت مجازی (VR) تقریباً امکان پذیر نبود.
تیم 100 نفری پزشکان که به جدا شدن دوقلوها کمک کردند قبل از انجام عمل جراحی به طور واقعی از مدلهای پلاستیکی پرینت شده 3D ، مغز ، جمجمه و رگهای خونی خود برای تمرین و همچنین ساختن راهنماهای برش استفاده کردند.به دنبال روش نهایی ، دکتر اوازه جیلانی ، جراح مغز و اعصاب کودکان که تیم را هدایت می کرد ، به بی بی سی گفت: “این روش به روشنی آینده است”.
در این مقاله می خوانیم :
پرینت سه بعدی چیست و چگونه در دستگاه های پزشکی استفاده می شود؟
پنج قطعه اصلیتجهیزات پزشکی که با پرینت سه بعدی تولید می شوند
- اندام و بافت انسان
- وسایل جراحی
- اندام مصنوعی
- ایمپلنت های ارتوپدی
- فانتوم های پزشکی
پرینت سه بعدی چیست و چگونه در دستگاه های پزشکی استفاده می شود؟
این کاربرد “فانتوم های پزشکی” – جایگزین های مصنوعی برای افراد انسانی – فقط یک مطالعه موردی است که نقش پرینت سه بعدی در تولید تجهیزات پزشکی در سال های اخیر را برجسته می کند.
این فناوری شامل ایجاد اشیا solid جامد سه بعدی از یک پرونده دیجیتال با اضافه کردن متوالی لایه های مواد روی یکدیگر است – از این رو تعریف ساخت افزودنی آن است.
نه تنها به این معنی است که مجموعه ای از اجزای دستگاه های پزشکی می توانند در صورت تقاضا به روشی مقرون به صرفه تولید شوند ، بلکه انعطاف پذیری آن امکان نمونه سازی سریعتر ، طراحی های متناسب ، سفارشی تر و انتخاب گسترده تری از مواد مورد استفاده در مقایسه با سایر روش های تولید را فراهم می کند. مانند قالب تزریق.
و گرچه موضوعاتی وجود دارد که باید برای دستگاههای پرینت سه بعدی در تنظیمات مراقبت های بهداشتی رایج شود – مانند هزینه و قابلیت استفاده از پرینتگرها ، و نگرانی های نظارتی در مورد دستگاه ها – انتظار رو به رشد این تغییر در آینده ای بسیار دور.
رودریگو نوبل ، یک متخصص مراقبت های بهداشتی دیجیتال در شرکت تجزیه و تحلیل GlobalData ، معتقد است که حتی بخش پزشکی “با تغییر مشهور” به زودی از الگویی که توسط سایر صنایع تعریف شده است پیروی می کند و ادغام تولید مواد افزودنی را در فرایندهای تولید خود آغاز می کند.
تجهیزات پزشکی پرینت سه بعدی
روند پرینت سه بعدی یک شی شامل اضافه کردن چندین لایه از مواد به هم است .وی می گوید: “در صنعت مراقبت های بهداشتی ، فناوری پرینت سه بعدی هنوز در مراحل اولیه است.” “با این حال ، مزایای آن در حال حاضر مشهود است و به سرعت در حال رشد است.”
“صنعت بدون شک در 10 یا 15 سال دیگر بسیار متفاوت به نظر می رسد ، زیرا پرینت 3D احتمالاً یکی از فن آوری های اصلی در ایجاد نوآوری است – به ویژه با رشد پرینت بیولوژیک ، داروهای احیا و داروسازی.در حالی که پذیرش فناوری افزودنی در تولید رشد کرده است ، هنوز هم در درجه اول یک ابزار نمونه سازی اولیه باقی مانده است ، فقط 0.01٪ از کل تولیدات تولید در سال 2019 را تشکیل می دهد.
“با این اوصاف ، همانطور که پرینت سه بعدی همچنان در حال توسعه است ، تعداد موارد استفاده از آن – موفقیت آمیز یا غیر از این – به شرکتها اجازه می دهد تا ارزیابی ROI با آموزش بیشتری داشته باشند.”و با وجود پرینت همه چیز از فانتوم های پزشکی گرفته تا اندام های مصنوعی و ابزارهای جراحی در دهه گذشته ، این موارد استفاده در صنعت مراقبت های بهداشتی از قبل دیده می شود.
تجهیزات پزشکی تولید شده با استفاده از پرینت سه بعدی
اندام و بافت انسان
پرینت سه بعدی پرینت زیستی است – فرآیند رسوب سلول های زنده به شکل های خاص برای تشکیل بافت ها و اندام ها.سلول های مورد استفاده در این فرآیند را می توان از خود بیماران گرفت. از آنجا که اندام حاصل از سلولهای بیمار ساخته شده است ، احتمال رد آن توسط بدن بسیار کاهش می یابد.
نوبل می گوید: “هنگامی كه ما به پرینتهای زیستی كاراكتر 1: 1 از اندامهای پیچیده دست یافتیم ، دشوار است تصور كنید كه اینها به استاندارد صنعت پیوند تبدیل نشوند.” وی افزود: “من معتقدم كه آزمایش انسان 10 تا 20 سال دیگر آغاز می شود و این اعتقاد راسخ من است كه اگر پرینت اعضای بدن محقق شود ، این روش كاملی خواهد بود – اگرچه من فكر نمی كنم كه به طور كامل جایگزین اهدای عضو شود ، زیرا هیچ شک و تردید گزینه ارزانتر باقی بماند.
“از طریق پیشرفت های پزشکی ، جامعه با جامعه ای پیر روبرو است. با افزایش سن ، اندامها از کار می افتند و در حال حاضر اندام کافی برای دور زدن وجود ندارد.”در حقیقت ، از سال 2009 ، تعداد بیماران نیاز به اندام بیش از دو برابر شده است ، در حالی که تعداد واقعی اعضای بدن به سختی جابجا شده است.اکنون یک بحران بهداشت عمومی به وجود آمده است. این همان جایی است که رشته پزشکی احیا می شود. ”
محققان دانشگاه تل آویو در سال 2019 قلب کوچکی از انسان را پرینت کردند – اگرچه قادر به پمپاژ م effectivelyثر خون نبود (اعتبار: دانشگاه تل آویو)دانشمندان از اوایل دهه 2000 اندام های ساده ای مانند مثانه را پرینت بیولوژیکی می کنند – و آنها را با موفقیت به بیماران پیوند می دهند ، اما ساختارهای پیچیده تر هنوز فراتر از مرحله نمونه اولیه پیشرفت نمی کنند.
در آوریل 2013 ، شرکت تحقیقات پزشکی آمریكا ارگانوو از سلولهای زنده برای پرینت مجدد قطعه ای از بافت كبد استفاده كرد – اولین نمونه از بافت انسانی كاملاً سلول دار كه از طریق پرینت سه بعدی تولید می شود.این شرکت ادعا کرد که این بافت شواهد محکمی را در مورد ساخت اعضای کامل انسان با استفاده از فناوری پرینت سه بعدی ارائه کرده است.
چهار سال بعد ، تیمی از محققان دانشگاه تحقیقات دولتی سوئیس ETH Zürich قلب انسان را به صورت سه بعدی پرینت كردند – اگرچه از سیلیكون ساخته شده است ، نه سلولهای بیولوژیك واقعی.در آوریل 2019 ، هنگامی که تیمی از دانشمندان از دانشگاه تل آویو ، اسرائیل ، یک قلب به اندازه خرگوش – اولین اندام پرینت شده در نوع خود – اولین ارگان برجسته دیگری را در پرینت پرینت بیولوژیکی به دست آوردند.
در حالی که دانشمند ارشد این تیم ، تل دویر در آن زمان گفت كه هنوز كاملاً به جای قلب انسان ، كاملاً كاركرده است ، روشن است كه محققان در این زمینه در طول دهه گذشته پیشرفت چشمگیری داشته اند. نوبل می گوید: “به نظر می رسد پرینت ارگان ها علمی تخیلی است ، اما به زودی به واقعیت تبدیل می شود.”این فقط به لطف فناوری ساخت افزودنی امکان پذیر است. سرعت ، سفارشی سازی و وفاداری فرآیند پرینت ، همه نقش اصلی را در این موفقیت دارند. ”
وسایل جراحی
پنس ، جمع کننده ها ، گیره های پزشکی ، محرک های سوزن ، هموستات و دسته های جراحی از جمله طیف وسیعی از ابزارهای جراحی هستند که با استفاده از فناوری پرینت سه بعدی تولید شده اند.از آنجا که این ابزارها به اندازه اندامهای انسانی پیچیده نیستند – یا عملکرد آنها تهاجمی نیست – تولید اضافی ابزارهای جراحی بطور قابل توجهی با موانع نظارتی و موانع عملی کمتری روبرو است و به همین دلیل قبلاً در بخش مراقبت های بهداشتی بسیار گسترده تر استفاده شده است.
مهمترین مزیت پرینت سه بعدی در ساخت این ابزارها این واقعیت است که می توان تغییرات خاصی را در طراحی ایجاد کرد ، اغلب براساس بازخورد جراحان پس از استفاده از نمونه اولیه.سرعت بهبود و پرینت طرح ها همچنین به معنای این است که تغییرات ممکن است به سرعت انجام شود – گاهی اوقات در همان روز.نوبل معتقد است که پرینت سه بعدی منجر به تبدیل شدن شخصی به ابزارهای خاص جراح به “یک امکان واقعی و مقرون به صرفه” شده است.
ابزارهای جراحی شامل پنس ، جمع کننده ها و هموستات ها می توانند توسط متخصصان مراقبت های بهداشتی در محل پرینت سه بعدی شوند. وی می افزاید: “ابزارهای جراحی – قبلاً متناسب با همه – اکنون با استفاده از پرینت سه بعدی به روز می شوند.” “تقریباً در هر مورد ، همانطور كه پزشكان بیشتری این فن آوری را می فهمند و به آن دسترسی پیدا می كنند ، احتمالاً نوآوریهای ابزار جراحی – مثلاً با ایجاد ابزاری برای بهینه سازی كاركردهای خاص برای روشهای خاص عمل – دنبال می شوند.
“علاوه بر این ، با اجازه دادن به پزشکان یک مدل پرینتی بر اساس تقاضا ، باعث کاهش ضایعات می شود و به آنها امکان می دهد ابزارهای جراحی سفارشی خود را فقط در صورت نیاز به جای خرید مقادیر زیاد برای اطمینان از همیشه موجود بودن ابزار ، پرینت کنند.”
یک مطالعه در سال 2018 که در مجله علمی ایالات متحده مرکز ملی اطلاعات بیوتکنولوژی منتشر شده است ، نشان داد که استفاده گسترده تر از پرینت سه بعدی برای تولید ابزار جراحی “عملی” است و بسیاری از مزایای فوق بدون هزینه اضافی برای ارائه دهندگان خدمات بهداشتی احساس می شود.همچنین اشاره شد که مجموعه های کامل جراحی حاوی محرک های سوزن ، پنس و چندین ابزار دیگر می توانند در مدت زمان متوسط فقط شش ساعت با استفاده از ساخت مواد افزودنی ساخته شوند.
اندام مصنوعی
بعد از ساخت یک دست بیونیک با استفاده از طرح های ایوان اوون ، هنرمند آمریکایی ، در ژانویه 2013 ، ایجاد E-NABLE آنلاین جامعه را اعتبار می دانند.اعضای بدن شخصی و اختصاصی بدن – از جمله انگشتان دست و پا ، و همچنین اندام – از آن زمان به طور گسترده ای با استفاده از پرینت سه بعدی تولید شده اند.
در حالی که روشهای ساخت سنتی شامل ریخته گری گران و ریخته گری مجدد پروتز برای اطمینان از متناسب بودن آناتومی بیمار است ، فرایند تولید افزودنی امکان کنترل بیشتر محصول نهایی ، امکان طراحی های پیچیده تر و ساختن پروتزهای پرینت سه بعدی را سبک تر و محکم تر می کند به دلیل مواد استفاده شده
به گفته نوبل ، این فرآیند همچنین صرفه جویی قابل توجهی در هزینه افرادی که به پروتز نیاز دارند انجام می دهد.وی می گوید: “تا همین اواخر ، دهها میلیون نفر در سراسر جهان كه در حال حاضر بدون اندام زندگی می كنند ، برای دریافت پروتز نیاز به پرداخت 5000 تا 50،000 دلار داشتند.””علاوه بر این ، دسترسی به این پروتزها تقریباً غیرمجاز بود .”علاوه بر این ، دسترسی به این پروتزها تقریباً منحصراً مختص کشورهای پیشرفته بود.
“پرینت سه بعدی کاملاً انقلابی در این زیرمجموعه صنعت ایجاد کرده است. از آنجا که مالکیت این فناوری ارزان می شود ، به محله های کمتر توسعه یافته می رسد. “دستهای مصنوعی نسبتاً پیچیده را می توان با استفاده از پرینت سه بعدی تولید کرد .
موسسه خیریه آفریقای جنوبی Robohand که به صورت سه بعدی اندام های مصنوعی را برای بیماران پرینت می کند ، می گوید که می تواند بازوها ، دست ها و انگشتان مصنوعی را با قیمتی بین 500 تا 2000 دلار تأمین کند – در حالی که این تولیدکننده پرینت سه بعدی حدود 11000 دلار است.با این حال ، نوبل معتقد است که قیمت بالای دستگاه های پرینت سه بعدی از طریق تولیدکنندگان را می توان به آزمایش بالینی و تنظیم دستگاه پزشکی نسبت داد ، و احتمالاً با گذشت زمان نیز گران خواهد شد.
وی می افزاید: “و نه تنها هزینه بسیار كاهش می یابد ، بلكه حتی فرایند تكرار نیز بخشی از زمان را می طلبد.””قبلاً برای دریافت مدل” جدید “شاید افراد مجبور بودند هفته ها یا ماه ها صبر کنند – اکنون ممکن است به چند ساعت یا یک روز برسد.”
در کنار اندام های مصنوعی ، پروتزهای مصنوعی مورد استفاده در بازسازی صورت نیز طی چند سال گذشته به صورت سه بعدی پرینت شده است.در سال 2016 ، به یک بازمانده سرطان برزیل به نام کارلیتو کنسیائو اولین پروتز صورت پرینت سه بعدی داده شد.برای ساخت یک مدل مجازی پروتز ، از یک برنامه تلفن هوشمند رایگان استفاده شد که سپس از طریق فناوری پرینت کم هزینه تولید شد.
ایمپلنت های ارتوپدی
بسیاری از مزایای مشابهی که در پروتزهای پرینت سه بعدی احساس می شود ، در مورد ایمپلنت های ارتوپدی نیز صادق است – دستگاه های پزشکی ساخته شده برای جایگزینی مفاصل و استخوان های از دست رفته ، یا برای حمایت از استخوان آسیب دیده.
ایمپلنت های دائمی شامل تعویض مفصل هستند – به عنوان مثال در زانو ، مفصل ران یا مچ دست – در حالی که دستگاه های ثابت کننده موقت مانند صفحات ، پیچ ها ، سنجاق ها و سیم ها را می توان به بدن وارد کرد تا استخوان های شکسته شده در طی یک دوره نسبتاً کوتاه ترمیم شوند.گفته نوبل ، گزینه های سفارشی سازی ، انتخاب مواد مناسب و توانایی پرینت اشکال و ساختارهای پیچیده به معنای پرینت سه بعدی است که “دستگاه های کاملاً مجهز” ساخته می شوند.وی می گوید: “فواید آن بسیار شبیه پروتز است.” “این فناوری امکان طراحی سریع نمونه های اولیه را فراهم می کند.
“این طرح ها می توانند پیچیده تر باشند ، مواد مورد استفاده برای عملکرد بهینه انتخاب می شوند و به دلیل پیشرفت در اسکن های سه بعدی و فن آوری های تصویربرداری ، طراحی حاصل از آن کاملاً” کاملاً مناسب خواهد بود. “این کنترل بر روی طراحی نهایی همچنین احتمال موفقیت جراحی ، بهبود سریعتر بعد از جراحی و تجربه راحت تری را برای بیمار ایجاد می کند.
نوبل می گوید: “علاوه بر این ، ایمپلنت ها به طور تئوری می توانند در محل مستقیماً در یک محیط عقیم شده پرینت شوند.””همچنین ممکن است جراحان پرینت مدل 1: 1 از آناتومی بیمار را انتخاب کنند – که می توانند روی آنها شبیه سازی روش یا اصلاح استراتژی جراحی را انجام دهند و در نهایت ، ابزار مورد نیاز را نیز در محل پرینت کنند.”با این حال ، پروتزها و ایمپلنت های ارتوپدی همچنین با موارد گسترده ای در مورد استفاده گسترده تر در بخش تجهیزات پزشکی روبرو هستند.
فرآیند انتخاب و طراحی مواد برای این دستگاه های پرینت شده سه بعدی منوط به تأیید FDA (سازمان غذا و دارو) ایالات متحده است که باعث می شود مدت زمان تولید آنها طولانی شود.مانند هر دستگاهی در بخش مراقبت های بهداشتی ، تمیزکاری بسیار حیاتی است ، بنابراین همه مواردی که در این فرآیند دخیل هستند باید به درستی عقیم شوند – که این امر لایه دیگری از عوارض را اضافه می کند.
به طور مشابه با ارتوپدی ، ترمیم های دندانی ، از جمله پرکردن ، تعویض تاج و بریج و حتی پروتزهای مصنوعی ، می توانند به صورت سه بعدی پرینت شوند و اخیراً از پیشرفت های CAD (طراحی به کمک کامپیوتر) و CAM (ساخت با کمک کامپیوتر) بهره مند شده اند.
فانتوم های پزشکی
فانتوم ها اشیائی هستند که به عنوان ایستاده برای بافتها ، اندامها و سایر عناصر بیولوژیکی انسان استفاده می شوند تا از اینكه شخص واقعی در معرض هرگونه خطر مستقیم قرار گیرد ، استفاده شود.آنها کاربردهای گوناگونی دارند – از جمله آزمایش سیستم های تصویربرداری پزشکی ، و شاید مهم تر ، آموزش و آموزش پزشکان در مورد بیماری های مختلف و روش های جراحی ، قبل از اینکه با یک موضوع زنده روبرو شوند.
در کنار مثال قبلی برنامه ریزی قبل از جراحی در GOSH در انگلستان ، از پرینت سه بعدی برای تولید فانتوم اندام های خاص بیمار در تعداد دیگری از تنظیمات پزشکی در سراسر جهان استفاده شده است.نوبل می گوید: “استفاده بیش از حد از مواد افزودنی به عنوان یک ابزار برنامه ریزی قبل از عمل نتایج بسیار امیدوار کننده ای را نشان داده است.”
مدل سازی پزشکی 3D Operations مستقر در تنسی در حال حاضر از ترکیبی از MRI و CT اسکن استفاده می کند تا مدل های تشریحی پرینت شده سه بعدی و خاص بیمار را برای جراحان انجام دهد تا قبل از عمل جراحی 1: 1 انجام شود.نوبل می گوید: “این برنامه جراحی همچنان در حال گسترش است.””این فناوری در کنار پیشرفتهای صورت گرفته در استراتژیهای واقعیت افزوده (AR) برای آموزش جراحی ، از امکانات بسیار جالبی برخوردار است.”نکات منفی استفاده از فانتوم های پرینتی 3D بسیار محدود است – شاید الان فقط هزینه تجهیزات باشد.”
و مانند تمام تجهیزات پزشکی ذکر شده در اینجا ، مبتکران به طور مداوم به دنبال راه هایی برای ساده سازی روند تولید مواد افزودنی و کاهش هزینه ها هستند تا پتانسیل آشکار آن در بخش مراقبت های بهداشتی زودتر و نه دیرتر محقق شود.
2017 ، در دبی – که بسیاری از بیمارستان ها این روش را در پیش گرفته اند – پزشکان قبل از درمان خونریزی تهدید کننده زندگی در مغز ، از یک مدل رگ های پرینت شده سه بعدی عروق بیمار استفاده کردند تا با موفقیت در رگ های خونی خود حرکت کنند
در سال 2018 ، جراحان در بلفاست ، ایرلند شمالی ، از مدلهای سه بعدی کلیه اهدا کننده برای پیوند عضو قبل از عمل استفاده کردند.نوبل می گوید: “استفاده بیش از حد از مواد افزودنی به عنوان یک ابزار برنامه ریزی قبل از عمل نتایج بسیار امیدوار کننده ای را نشان داده است.”