Additiivinen valmistus, joka tunnetaan myös nimellä 3D-tulostus, kehitettiin ensimmäisen kerran 1980-luvulla. Siinä otetaan kohteesta digitaalinen malli tai piirros, joka sitten tulostetaan peräkkäisinä kerroksina sopivasta materiaalista, jotta kohteesta saadaan luotua uusi versio.
Tekniikkaa on sovellettu (ja hyödynnetty) monilla eri teollisuudenaloilla, myös lääketieteellisessä teknologiassa. Usein lääketieteellisiä kuvantamistekniikoita, kuten röntgensäteilyä, tietokonetomografiaa (CT), magneettikuvausta (MRI) ja ultraäänitutkimuksia, käytetään alkuperäisen digitaalisen mallin tuottamiseen, joka sitten syötetään 3D-tulostimeen.
Ennusteiden mukaan 3D-tulostuksen arvo lääketieteen alalla on 3,5 miljardia dollaria vuoteen 2025 mennessä, kun se vuonna 2016 oli 713,3 miljoonaa dollaria. Alan yhdistetyn vuotuisen kasvuvauhdin oletetaan olevan 17,7 % vuosina 2017-2025.
Lääketieteen alalla on neljä keskeistä 3D-tulostuksen käyttötarkoitusta, jotka liittyvät viimeaikaisiin innovaatioihin: kudosten ja organoidien luominen, kirurgiset työkalut, potilaskohtaiset kirurgiset mallit ja mittatilaustyönä tehtävät proteesit.
Kudosten ja organoidien biotulostus
Yksi monista 3D-tulostuksen tyypeistä, joita käytetään lääketieteellisten laitteiden alalla, on biotulostus. Sen sijaan, että tulostettaisiin muovia tai metallia, bioprintterit käyttävät tietokoneohjattua pipettiä, jolla eläviä soluja, niin sanottua biomustetta, kerrostetaan päällekkäin luodakseen keinotekoista elävää kudosta laboratoriossa.
Tällaisia kudosrakenteita tai organoideja voidaan käyttää lääketieteellisessä tutkimuksessa, sillä ne jäljittelevät elimiä pienoiskoossa. Niitä kokeillaan myös halvempina vaihtoehtoina ihmisen elinsiirroille.
Yhdysvaltalainen lääketieteellinen laboratorio- ja tutkimusyritys Organovo kokeilee maksan ja suoliston kudosten tulostamista, jotta ne auttaisivat elinten tutkimisessa in vitro sekä lääkekehityksessä tiettyjä sairauksia varten. Toukokuussa 2018 yritys esitteli prekliinisiä tietoja maksakudoksensa toimivuudesta tyypin 1 tyrosinemiaa koskevassa ohjelmassa, joka on sairaus, joka vaikeuttaa elimistön kykyä metaboloida aminohappo tyrosiinia entsyymin puutteen vuoksi.
Yhdysvaltalaisessa Pohjois-Carolinassa sijaitsevassa Wake Forest -instituutissa omaksuttiin samankaltainen lähestymistapa kehittämällä 3D-aivojen organoidi, jolla on potentiaalisia käyttökohteita lääkkeiden löytämisessä ja tautien mallintamisessa. Yliopisto ilmoitti toukokuussa 2018, että sen organoidissa on täysin solupohjainen, toimiva veriaivoeste, joka jäljittelee ihmisen normaalia anatomiaa. Se on myös työskennellyt 3D-tulostamalla ihosiirteitä, joita voidaan käyttää suoraan palovammojen uhreille.
Kirurgista valmistelua avustaa 3D-tulostettujen mallien käyttö
Toinen 3D-tulostuksen sovellus lääketieteen alalla on potilaskohtaisten elinjäljennösten luominen, joilla kirurgit voivat harjoitella ennen monimutkaisten leikkausten suorittamista. Tämän tekniikan on todettu nopeuttavan toimenpiteitä ja minimoivan potilaille aiheutuvia traumoja.
Tämmöinen menettely on toteutettu menestyksekkäästi leikkauksissa, jotka vaihtelevat täydellisistä kasvojensiirroista selkärangan toimenpiteisiin, ja siitä on tulossa rutiinikäytäntö.
Dubaissa, jossa sairaaloilla on mandaatti käyttää 3D-tulostusta vapaasti, lääkärit leikkasivat onnistuneesti potilaan, joka oli kärsinyt aivojen aneurysmasta neljässä laskimossa, käyttämällä 3D-tulostettua valtimomallia hänen valtimoidensa kartoittaakseen, miten verisuonet navigoidaan turvallisesti.”
Tammikuussa 2018 kirurgit Belfastissa harjoittelivat onnistuneesti munuaisensiirtoa 22-vuotiaalle naiselle käyttäen 3D-tulostettua mallia luovuttajan munuaisesta. Elinsiirtoon liittyi komplikaatioita, sillä hänen luovuttajana toimineella isällään oli yhteensopimaton veriryhmä, ja hänen munuaisensa paljastui mahdollisesti syöpäkysta. Hänen munuaisensa 3D-tulostetun kopion avulla kirurgit pystyivät arvioimaan kasvaimen ja kystan koon ja sijainnin.
Kirurgisten instrumenttien 3D-tulostaminen
Steriilejä kirurgisia instrumentteja, kuten pihtejä, hemostaatteja, skalpellin kahvoja ja puristimia, voidaan valmistaa 3D-tulostimilla.
Ei 3D-tulostaminen ainoastaan tuota steriilejä välineitä, vaan jotkin niistä perustuvat muinaiseen japanilaiseen origami-käytäntöön, mikä tarkoittaa, että ne ovat täsmällisiä ja että ne pystytään valmistamaan hyvin pieniksi. Näillä välineillä voidaan leikata pieniä alueita aiheuttamatta potilaalle tarpeetonta lisävahinkoa.
Yksi tärkeimmistä eduista, joita saadaan, kun kirurgisten instrumenttien valmistuksessa käytetään 3D-tulostusta perinteisten valmistusmenetelmien sijaan, on se, että tuotantokustannukset ovat huomattavasti alhaisemmat.
Tilaustyönä valmistettavat proteesit 3D-tulostuksen avulla
Lääketieteellisellä alalla 3D-tulostuksen avulla voidaan valmistaa proteesit, jotka räätälöidään käyttäjälleen sopiviksi ja sopiviksi. Amputaatiopotilaat joutuvat usein odottamaan viikkoja tai kuukausia saadakseen proteesin perinteistä reittiä pitkin. 3D-tulostus kuitenkin nopeuttaa prosessia merkittävästi, ja lisäksi se luo paljon halvempia tuotteita, jotka tarjoavat potilaille saman toiminnallisuuden kuin perinteisesti valmistetut proteesit.
Tuotteiden alhaisempi hinta tekee niistä erityisen käyttökelpoisia lapsille, jotka kasvavat nopeasti ulos proteeseistaan.
3D-tulostuksen avulla potilas voi myös suunnitella proteesin, joka vastaa suoraan hänen tarpeitaan. Esimerkiksi Body Labs on luonut järjestelmän, jonka avulla potilaat voivat mallintaa proteesinsa omiin raajoihinsa skannauksen avulla luodakseen luonnollisemman istuvuuden ja ulkonäön. Lisäksi Massachusetts Institute of Technologyn tutkijat ovat pyrkineet suunnittelemaan miellyttävämpiä proteesipesiä.