Produkcja addytywna, inaczej zwana drukiem 3D, została po raz pierwszy opracowana w latach 80. XX wieku. Polega ono na wykonaniu cyfrowego modelu lub schematu przedmiotu, który jest następnie drukowany w kolejnych warstwach odpowiedniego materiału w celu stworzenia nowej wersji przedmiotu.
Technikę tę zastosowano w wielu różnych branżach (i wykorzystano w nich), w tym w technologii medycznej. Często techniki obrazowania medycznego, takie jak promieniowanie rentgenowskie, tomografia komputerowa (CT), rezonans magnetyczny (MRI) i ultradźwięki są wykorzystywane do produkcji oryginalnego modelu cyfrowego, który jest następnie wprowadzany do drukarki 3D.
Przewiduje się, że druk 3D w dziedzinie medycyny będzie wart 3,5 mld USD do 2025 r., w porównaniu do 713,3 mln USD w 2016 r. Złożona roczna stopa wzrostu branży ma osiągnąć 17,7% w latach 2017-2025.
Istnieją cztery podstawowe zastosowania druku 3D w dziedzinie medycyny, które są związane z ostatnimi innowacjami: tworzenie tkanek i organoidów, narzędzi chirurgicznych, modeli chirurgicznych specyficznych dla pacjenta i protetyki wykonywanej na zamówienie.
Bioprinting tkanek i organoidów
Jednym z wielu rodzajów druku 3D, który jest wykorzystywany w dziedzinie urządzeń medycznych jest bioprinting. Zamiast drukować przy użyciu plastiku lub metalu, bioprinterzy używają pipety sterowanej komputerowo do nakładania warstw żywych komórek, zwanych bio-ink, na siebie w celu stworzenia sztucznej żywej tkanki w laboratorium.
Te konstrukcje tkankowe lub organoidy mogą być wykorzystywane do badań medycznych, ponieważ naśladują organy w skali miniaturowej. Są one również testowane jako tańsze alternatywy dla przeszczepów ludzkich narządów.
Mająca siedzibę w USA medyczna firma laboratoryjno-badawcza Organovo eksperymentuje z drukowaniem tkanki wątroby i jelit, aby pomóc w badaniu narządów in vitro, a także w opracowywaniu leków na niektóre choroby. W maju 2018 r. firma przedstawiła dane przedkliniczne dotyczące funkcjonalności swojej tkanki wątroby w programie dla tyrozynemii typu 1, stanu, który upośledza zdolność organizmu do metabolizowania aminokwasu tyrozyny z powodu niedoboru enzymu.
Instytut Wake Forest w Północnej Karolinie, USA, przyjął podobne podejście, opracowując organoid 3D mózgu z potencjalnymi zastosowaniami w odkrywaniu leków i modelowaniu chorób. Uniwersytet ogłosił w maju 2018 roku, że jego organoidy mają w pełni opartą na komórkach, funkcjonalną barierę krew-mózg, która naśladuje normalną ludzką anatomię. Pracuje również nad drukowanymi w 3D przeszczepami skóry, które mogą być stosowane bezpośrednio u ofiar oparzeń.
Przygotowanie do operacji wspomagane przez wykorzystanie modeli drukowanych w 3D
Innym zastosowaniem druku 3D w dziedzinie medycyny jest tworzenie replik organów specyficznych dla pacjenta, które chirurdzy mogą wykorzystywać do ćwiczeń przed przeprowadzeniem skomplikowanych operacji. Udowodniono, że technika ta przyspiesza procedury i minimalizuje uraz u pacjentów.
Tego typu procedura została przeprowadzona z powodzeniem w operacjach począwszy od przeszczepu całej twarzy po zabiegi na kręgosłupie i zaczyna stawać się rutynową praktyką.
W Dubaju, gdzie szpitale mają mandat do liberalnego wykorzystania druku 3D, lekarze z powodzeniem operowali pacjentkę, która doznała tętniaka mózgu w czterech żyłach, używając wydrukowanego w 3D modelu jej tętnic, aby odwzorować, jak bezpiecznie poruszać się po naczyniach krwionośnych.
W styczniu 2018 r. chirurdzy w Belfaście z powodzeniem ćwiczyli do przeszczepu nerki dla 22-letniej kobiety, używając wydrukowanego w 3D modelu nerki jej dawcy. Przeszczep był obarczony komplikacjami, ponieważ jej ojciec, który był jej dawcą, miał niezgodną grupę krwi, a w jego nerce odkryto potencjalnie rakową torbiel. Używając wydrukowanej w 3D repliki jego nerki, chirurdzy byli w stanie ocenić rozmiar i umiejscowienie guza i torbieli.
Drukowanie 3D narzędzi chirurgicznych
Jałowe narzędzia chirurgiczne, takie jak kleszcze, hemostaty, rękojeści skalpeli i zaciski, mogą być produkowane przy użyciu drukarek 3D.
Nie tylko druk 3D produkuje sterylne narzędzia, niektóre z nich są oparte na starożytnej japońskiej praktyce origami, co oznacza, że są precyzyjne i mogą być wykonane w bardzo małych rozmiarach. Instrumenty te mogą być używane do operowania na małych obszarach bez powodowania niepotrzebnych dodatkowych uszkodzeń u pacjenta.
Jedną z głównych korzyści płynących z używania druku 3D zamiast tradycyjnych metod produkcji narzędzi chirurgicznych jest to, że koszty produkcji są znacznie niższe.
Robione na zamówienie protezy przy użyciu druku 3D
Druk 3D w dziedzinie medycyny może być używany do produkcji protez kończyn, które są dostosowane do potrzeb i pasują do użytkownika. Powszechne jest, że osoby po amputacji muszą czekać tygodnie lub miesiące na otrzymanie protez drogą tradycyjną, jednak druk 3D znacznie przyspiesza ten proces, a także pozwala na tworzenie znacznie tańszych produktów, które oferują pacjentom taką samą funkcjonalność jak tradycyjnie produkowane protezy.
Niższa cena tych produktów sprawia, że są one szczególnie przydatne w przypadku dzieci, które szybko wyrastają ze swoich protez.
Druk 3D pozwala również pacjentowi na zaprojektowanie protezy, która odpowiada bezpośrednio jego potrzebom. Na przykład firma Body Labs stworzyła system, który pozwala pacjentom modelować protezę na ich własnych kończynach poprzez skanowanie w celu stworzenia bardziej naturalnego dopasowania i wyglądu. Ponadto naukowcy z Massachusetts Institute of Technology starali się zaprojektować bardziej komfortowe gniazda protetyczne.