تمامی این نقاط عطف نقش مهمی که امروز چاپ سه بعدی در صنعت پزشکی، جایی که می‌توان محصولات متناسب با هر فرد را تولید کرد، دارد را تقویت می‌کند؛ این امر درک متخصصان پزشکی از بیماران را بهبود می‌بخشد و با ارائه محصولات منحصر به فرد تولید شده برای آناتومی خاص هر بیمار، باعث آرامش خاطر آن‌ها می‌شود.
در این مقاله به الزامات صنعت پزشکی که چاپ سه بعدی را به یک فناوری ایده‌آل از بسیاری جهات تبدیل کرده، می‌پردازد و همچنین متداول‌ترین روش‌های تولید داده برای مدل‌سازی سه بعدی پزشکی را نام میبرد. کاربردهای متداول چاپ سه بعدی در صنعت پزشکی نیز همراه با موانع و محدودیت‌هایی که می‌بایست بر آن‌ها غلبه کند، مورد بررسی قرار خواهد گرفت و در انتها مطالعات موردی مواردی که چاپ سه بعدی در این صنعت مورد استفاده قرار گرفته ارائه خواهند شد. امروزه چاپ سه بعدی کاربرد وسیعی در صنعت پزشکی دارد.
جهت سفارش انواع چاپ بر روی جعبه غذا و تماشای نمونه پک غذا پینترست و ویدئو پک غذا یوتیوب به سایت ایرانیان پک مراجعه نمایید.
الزامات صنعت پزشکی
سفارشی سازی
ماهیت فردی مراقبت‌های بهداشتی چاپ سه بعدی را به عنوان یک راه ایده‌آل برای صنعت پزشکی معرفی می‌کند. چاپ سه بعدی به جای تولید هزاران مولفه یکسان، امکان ایجاد دستگاه‌های پروتز و ارتوز متناسب با آناتومی خاص بیمار را فراهم می‌کند و باعث بهبود کارایی آن‌ها می‌شود.
پیچیدگی
در حالی که در گذشته تروش تولید سنتی برای ساخت اشکال پیچیده و ارگانیک با مشکلاتی روبرو بوده، طرح‌هایی که امروز فناوری چاپ سه بعدی قادر به چاپ آن‌ها می‌باشد بی‌حد و حصر هستند. مدل‌های ظریفی که کاملا شکل استخوانی دارند و قطعات فلزی متخلخل به آسانی قابل ساخت هستند و دری به سوی طراحی و ساخت قطعاتی که تاکنون قابل ساخت نبوده‌اند (از جمله استخوان‌های صورت، زند زیرین و زبرین)، باز می‌کند.
زمان فرآوری
مدت زمان فرآوری ابزار، چه وابسته به سازمان چه خارج آن، می‌تواند طولانی و هزینه‌بر باشد. یکی از ویژگی‌های بارز چاپ سه بعدی ارائه ابزار مناسب به طراحان و مهندسان جهت تولید سریع طرح و تکرار آن، برقراری ارتباط موثرتر بااستفاده از نمونه‌های اولیه واقعی و در نهایت کاهش زمان عرضه به بازار می‌باشد. ضروری‌ترین بخش در موفقیت هر دستگاه پزشکی، بازخورد پزشکان و بیماران و سرعت پیاده‌سازی این ایمپلنت‌ها می‌باشد.
اکنون می‌توان در عرض چند ساعت یک طرح پزشکی را طبق بازخورد مستقیم جراحانی که آن را استفاده کرده‌اند تکرار کرد و نمونه‌های اولیه جدید را برای ارزیابی چاپ کرد. بازخورد سریع‌تر، چرخه طراحی را سرعت می‌بخشد. تولیدکنندگان همچنین می‌توانند از قطعات اولیه چاپ سه بعدی برای پشتیبانی از آزمایشات بالینی یا تجاری اولیه در زمان بهینه‌سازی طراحی، استفاده کنند.
هزینه
چاپ سه بعدی علاوه بر توانایی تولید اجزای پیچیده سفارشی، برای تولید با حجم کم نیز مناسب می‌باشد چرا که در عین افزایش میزان اثربخشی هزینه را ماهش می‌دهد. ماهیت تولید به معنای عدم نیاز به ابزارهای گران قیمت یا فرآِندهای ماشینی است. فناوری‌های چاپ سه بعدی نیز فقط با استفاده از موماد مورد نیاز خود، قطعات را تولید کرده و موجب کاهش هزینه و ضایعات می‌شوند.
چاپ مولتی متریال
برخی از فناوری‌های چاپ سه بعدی هم اکنون قادر به چاپ مدل‌های سه بعدی با چند ماده مختلف در یک فرآیند چاپ هستند. مزیت این امر این است که اکنون یک مدل می‌تواند دارای بخش‌های مختلفی که نمایانگر استخوان، اندام‌ها و بافت نرم است، باشد و به جراحان و پزشکان این امکان را می‌دهد که هنگام استفاده از مدل در تمرینات جراحی یا اهداف آموزشی، درک بیشتری از وضعیت بدن بیمار داشته باشند.
قابلیت ضدعفونی شدن
باتوجه به کاربرد برخی از قطعات مورد استفاده در صنعت پزشکی، قابلیت ضدعفونی شدن یکی از مهم‌ترین خواص ماده به شمار می‌آید. لیست برخی از متداول‌ترین مواد ضدعفونی کننده مورد استفاده در چاپ سه بعدی در جدول زیر نشان داده شده است.
تولید داده (MRI، CT، اسکن لیزری)
یکی از مزایای منحصر به فرد چاپ سه بعدی توانایی تولید مستقیم قطعات خاص بیمار از طریق اسکن داده‌ها است که با اکثر تکنیک‌های معمولی ساخت مقرون به صرفه نمی‌باشد. ساخت این قطعات از طریق نرم‌افزاری که اسکن‌های خود بیمار را (بوسیله توموگرافی کامپیوتری (CT)، تصویر برداری با تشدید مغناطیس (MRI) و اسکن لیزری) به فایل‌های سه بعدی تبدیل می‌کند، امکان‌پذیر است. این فایل‌ها اساسا ویژگی‌های خاص آناتومی یا پاتالوژیک هر بیمار را کدگذاری می‌کند و سپس این کدها توسط پرینترهای سه بعدی چاپ می‌شوند.
تولید داده از اسکن بیمار می‌تواند در چاپ مدل‌های سه بعدی مورد استفاده قرار بگیرد.
-CT در CT برای بدست آوردن تصویری مقطعی از جسم، به آن اشعه X می‌تابانند. CT یکی از روش‌های عکس برداری از استخوان‌ها یا جمع‌آوری اطلاعاتی است که بعدها در تولید مدل‌های پزشکی از ساختارهایی با بافت سخت، مثل استخوان، استفاده می‌شود. CT اسکن به طور گسترده‌ای در اورژانس استفاده می‌شود چرا که مدت زمان انجام آن کمتر از 5 دقیقه می‌باشد. از آنجا که بیماران در معرض مقدار کمی اشعه هستند، CT اسکن ممکن است گاهی نامناسب باشد.
-MRI MRI با استفاده از آهنربایی بسیار قوی هسته اتم‌های داخل بدن را هم‌تراز کرده و با استفاده از یک میدان مغناطیسی بی‌ثبات، طی پدیده‌ای به نام تشدید مغناطیسی هسته‌ای، باعث تشدید اتم‌ها می‌شود. هسته‌ها، میدان‌های مغناطیسی تولید می‌کنند که اسکنر آن‌ها را شناسایی کرده و برای ایجاد تصویر استفاده می‌کند. تفاوت بین بافت طبیعی و غیرطبیعی اغلب در MRI واضح‌تر از CT اسکن است. به طور معمول انجام اسکن MRI نیز بیشتر طول می‌کشد.
اسکن لیزری– در اسکن لیزر سطح یک جسم اسکن شده و داده‌ها به صورت محموعه‌ای از نقاط (ابر نقطه‌ای) ضبط می‌شوند و سپس برای تولید یک سطح سه بعدی استفاده می‌شوند. این روش باعث می‌شود که قطعاتی که اندازه‌گیری دقیق و ساخت مدل‌های سه بعدی برای آن‌ها دشوار است، قابل دیجیتالی شدن و بازتولید دقیق شوند. بر خلاف اسکن CT یا MRI، اسکن لیزری ساختار داخلی اجسام اسکن شده را نشان نمی‌دهد. همچنین اسکنرهای لیزری برای کاربردهای مختلف در انواع مختلف ارائه می‌شوند که مزایای بیشتری نسبت به اسکنرهای CT و MRI در اندازه صنعتی دارند.
کاربردهای متداول
ابزارهای یادگیری جراحی
چاپ سه بعدی در صنعت پزشکی بیشتر روی ایمپلنت‌ها و دستگاه‌های پزشکی مرتبط با بیماران بوده است و یکی از مهم‌ترین زمینه‌های کاربرد آن سخت مدل‌های آناتومیک می‌باشد. در طول تاریخ، تمرینات بالینی با آموزش و آزمایش دستگاه‌ها در شبیه‌سازهای بالینی برو روی مدل‌های حیوانی، جسد انسان و مانکن‌ها صورت می‌گرفته است. این گزینه‌ها دارای نقایص متعددی از جمله تعداد محدود، هزینه جابه‌جایی و ذخیره سازی، عدم آسیب‌شناسی در مدل‌ها، مغایرت با آناتومی انسان و عدم توانایی در نمایش دقیق ویژگی‌های بافتی انسان‌های زنده می‌باشند.
قلب تولید شده توسط چاپ سه بعدی
امروزه پزشکان از مدل‌های تولید شده از داده‌های اسکن بیماران توسط چاپ سه بعدی جهت تشخیص بهتر بیماری‌ها، توضیح تصمیمات درمانی، برنامه‌ریزی و حتی در برخی موارد، انجام تداخلات انتخاب شده جراحی پیش از عمل اصلی، استفاده می‌کنند. این مدل‌ها به پزشکان کمک می‌کنند که آناتومی بدن بیمار، که تصور آن به ویژه در روش‌های کم تهاجم دشوار است، را به خوبی درک کنند. مدل‌ها همچنین می‌توانند به اندازه‌گیری دقیق دستگاه‌های پزشکی کمک کنند. علاوه بر این پزشک‌ها می‌توانند از این مدل‌ها برای جراحی‌های آینده یماران و خانواده آن‌ها و توضیح مراحل جراحی به تیم بالینی استفاده کنند.
برای کمک به کاهش هزینه روش‌هایی ارائه شده‌اند که جراحان می‌توانند با هزینه کم روی مانکن‌هایی که با چاپ سه بعدی مخصوص بیمار طراحی شده‌اند، تمرین و برنامه‌ریزی کنند. این موضوع نشان‌دهنده این است که فناوری چاپ سه بعدی قادر به چاپ موماد سخت و نرم در یک قسمت می‌باشد که امکان چاپ دقیق بافت انسانی، کلسیفیکاسیون و استخوان را دارد به این معنا که جراحان اکنون می‌توانند درک بهتری از روش‌هایی که لازمه آن‌ها لمس قسمت‌های مختلف آناتومی بیمار است، داشته باشند.
راهنماها و تجهیزات جراحی
همانطور که برای اطمینان از قرارگیری سوراخ در محل درست و مناسب از مته استفاده می‌شود، پزشکان نیز برای بهتر انجام دادن عمل جراحی به راهنما و تجهیزاتی نیاز دارند. در طول تاریخ این تجهیزات از تیتانیوم و آلومینیوم ساخته می‌شدند. با روی کار آمدن چاپ سه بعدی، پزشکان توانستند راهنماهایی مطابق با آناتومی خاص هر بیمار داشته باشند و مته و سایر تجهیزات مورد استفاده در حین جراحی را با دقت بیشتری به کار گیرند. ابزارهای ساخته شده با استفاده از چاپ سه بعدی باعث می‌شوند که درمان‌های ترمیمی (پیچ، پلاک و ایمپلنت) با دقت بیشتری انجام شوند و نتایج بهتری حاصل شود.
اسکن دندان‌های بیمار و سپس طرح چاپ سه بعدی اجازه قرارگیری درست وسیله را می‌دهد.
مدل‌های آناتومیک (استخوانی) و راهنماهای جراحی نیز از طریق چاپ سه بعدی تولید می‌شوند و مشترکا برای برنامه‌ریزی و آزمایش بهترین نقاط برای جایگذاری پیچ‌ها و پلاک‌های متناسب با سطح استخوان بیمار، قبل از جراحی استفاده می‌شوند.
ایمپلنت‌ها
قابلیت چاپ سه بعدی در تولید ساختارهای مشبک روی سطح ایمپلنت‌های جراحی می‌تواند پیوند استخوان را بهبود بخشیده و احتمال پس زدن را کاهش دهد. مواد زیست سازگار، مانند آلیاژهای تیتانیوم و کبالت-کروم، در جراحی‌های فک و صورت و ارتوپدی قابل استفاده می‌باشند. هندسه سطح بالایی تولید شده با چاپ سه بعدی میزان بقای کاشت را در مقایسه با محصولات سنتی دو برابر بهبود می‌بخشد. تخلخل این محصولات چاپ سه بعدی همراه با سطح بالای سفارشی‌سازی و توانایی تولید با مواد سنتی پزشکی، منجر به رشد سریع ایمپلنت‌های سه بعدی در شاخه پزشکی چاپ سه بعدی شده است.
سوکت‌های تعویض مفصل ران ارتوپدی که با چاپ سه بعدی ساخته شده‌اند در تعداد زیادی از بیماران سراسر جهان به کار گرفته شده‌اند.
اعضای مصنوعی
هر ساله نزدیک به 200000 قطع عضو تنها در ایالات متحده صورت می‌گیرد با پروتزهایی که قیمت آن‌ها از 5000 تا 50000 دلار است که جایگزینی یا تغییر در آن‌ها می‌تواند وقت‌گیر و گران باشد. از آنجایی که این قبیل پروتزها وسایل شخصی محسوب می‌شوند، هرکدام باید به صورت سفارشی ساخته شده یا متناسب با نیاز فرد طراحی شده باشند.
امروزه فناوری چاپ سه بعدی به طور منظم برای تولید اجزای خاص پروتز بیمار که کاملا با آناتومی کاربر تطابق دارد، استفاده می‌شود. توانایی تولید هندسه‌های پیچیده با مواد مختلف منجر به سازگاری چاپ سه بعدی در نقاط تماس پروتز با بدن بیمار شده است. از فناوری چاپ سه بعدی برای تولید همه چیز، از اتصالات پای مصنوعی که به راحتی قابل استفاده است تا پروتز پیچیده صورت و کاملا سفارشی که برای یک بیمار سرطانی طراحی شده است، مورد استفاده قرار می‌گیرد.
معمولا برای تولید بخش ساختاری پروتزهای کاربردی از تکنیک‌ها و مواد سنتی ساخت استفاده می‌شود. چاپ سه بعدی عموما با تولید خطوط پیچیده متناسب با آناتومی کاربران، باعث راحتی و تناسب قسمت رابط می‌شود. چاپ سه بعدی همچنین در سطح خارجی پروتز، برای تولید پوسته‌های بیرونی حیاتی و آلی که ماهیت مکانیکی پروتز را پنهان می‌کنند، استفاده می‌شود. این موضوع به فرد استفاده کننده اجازه می‌دهد که پروتزهای مصنوعی خود را متناسب با هر طرح یا سبکی که ترجیح می‌دهد، تنظیم کند.
سمعک
ممکن است باورش سخت باشد اما سمعک یکی از بزرگترین تولیداتی است که به تداوم چاپ سه بعدی کمک می‌کند. بیش از 10000000 نفر اکنون از سمعک تولید شده با چاپ سه بعدی استفاده می‌کنند و 97% کل سمعک‌های دنیا با استفاده از این فناوری تولید می‌شوند. فناوری چاپ سه بعدی در مقایسه با تولید سنتی نه تنها به طور قابل توجهی هزینه سمعک‌های سفارشی را کاهش داده بلکه میزان برگشت خوردن سمعک‌ها به علت نافرم بودن سطح خارجی را از 40% به 10% کاهش داده است.
محدودیت‌ها
برخی از محدودیت‌های چاپ سه بعدی در صنعت پزشکی شامل موارد زیر است:
- با اینکه زمان چاپ قطعات در مقایسه با روش‌های سنتی اغلب بسیار سریع‌تر است اما همچنان برای تبدیل داده‌های اسکن شده برای تولید یک فایل STL قابل چاپ، زمان قابل توجهی لازم است. به همین دلیل، برای موارد فوری‌تر، مانند جراحی تروما، ایمپلنت‌های عمومی یا تجهیزات پزشکی می‌توانند راه‌حل مطلوبی باشند.
- خرید یک دستگاه FDM یا SLA رومیزی معمولا از 1000 تا 5000 دلار و پرینترهای سطح بالا (SLS، متریال جت و چاپ فلزی) از 200000 تا 850000 دلار می‌باشد. مواد این فناوری‌ها نیز در حال حاضر بسیار گران هستند. راه‌حل بهینه برای این فناوری‌ها تهیه محصولات از پیش تولید شده است.
- درک صحیح از هر فناوری چاپ سه بعدی بسیار حیاتی است و باید با قطعه مورد نظر تطابق داده شود. هر فناوری نقاط قوت و ضعفی دارد و ممکن است باعث تغییر قیمت قابل توجهی در هر قطعه شود.
پرینتر سه بعدی در پزشکی
پرینت سه بعدی در پزشکی بخشی از فرآیند ابتکاری به نام ساخت افزودنی یا همان است که به معنای تولید اجسام جامد سه بعدی از یک فایل دیجیتال است. با پیشرفت تکنولوژی، محققان روی راه حل های مختلفی کار می‌کنند. برای مثال، مهندسان دانشگاه بوفالو فناوری جدیدی ایجاد کرده‌اند که فرآیند چاپ را سرعت می‌بخشد. نکته قابل توجه در مورد این فناوری خاص مبتنی بر هیدروژن این است که بسیار سریع‌تر از روش‌های چاپ سه بعدی قبلی است. حدودا تا 50 برابر سریع‌تر.
در نتیجه کاربردهای چاپ در صنعت پزشکی و تولید لوازم پزشکی و مراقبت های بهداشتی می‌تواند تولید دارو و تولید تجهیزات پزشکی را متحول کند. همچنین می‌تواند روش‌های جدیدی را برای آموزش پزشکی، بهینه‌سازی زنجیره‌های تامین و ارائه خدمات پزشکی ارزان‌تر و شخصی‌تر ارائه دهد. بیایید نمونه های امیدوارکننده را ببینیم!
تجهیزات پزشکی شخصی سازی شده
این یک واقعیت که تجهیزات پزشکی قیمت بالایی دارند بر کسی پوشیده نیست. این امر حتی در کشورهای توسعه یافته نیز کاملا به چشم می‌خورد برای مثال مجموع هزینه‌های مربوط به دستگاه‌های پزشکی در ایالات متحده در سال 2018 به حدود 200 میلیارد دلار رسید. در نتیجه کاربردهای چاپ در صنعت پزشکی و تولید لوازم پزشکی برای حل این مشکل به کمک بیماران و پزشکان می‌آید.
• ساخت آتل و مدل‌های پزشکی
بنابراین ساخت تجهیزاتی مانند، آتل‌های پرینت سه بعدی، مدل‌های پزشکی استفاده شده قبل از جراحی یا سایر ابزارهای ضروری برای بهبودی بیمار با چاپ سهه بعدی می‌توانند باعث صرفه‌جویی در هزینه‌های هنگفتی شوند. در حال حاضر نمونه های درخشانی از کاربردهای چاپ در صنعت پزشکی و تولید لوازم پزشکی در جهان وجود دارد و مورد استفاده قرار می‌گیرد.
• ساخت میکروسوزن‌ها
در ادامه بررسی کاربردهای چاپ در صنعت پزشکی و تولید لوازم پزشکی به بررسی تولید میکروسوزن‌ها برای نظارت مؤثر بر دیابت توسط دانشمندان استرالیایی خواهیم پرداخت. این سوزن‌های دارای تهاجم و درد کمتری نسبت به سوزن‌های دیگر هستند. همچنین این میکروسوزن‌ها راه مؤثری برای پایش مداوم گلوکز ارائه داده و مسیری تازه‌ای را به سوی خود دارو و مصرف دارو باز می‌کنند.
کاربردهای چاپ در صنعت پزشکی و تولید لوازم پزشکی نیز در آغاز همه گیری کووید-19 نقش مهمی ایفا کرد. تولید فوری سه بعدی تجهیزات حفاظت شخصی مانند ماسک و دستکش به معنای واقعی کلمه جان پرسنل بیمارستان را در کشورهای توسعه یافته نجات داد. در واقع، پرینت سه بعدی به یک فناوری حیاتی تبدیل شد و از بیمارستان‌ها و خطوط مقدم حمایت کرد.