Druk 3D w medycynie – oczekiwania vs. rzeczywistość

Publikowane na łamach Centum Druku 3D artykuły z zakresu nowoczesnej medycyny i farmakologii budzą niemałe zainteresowanie – coraz częściej kontaktują się z nami czytelnicy zwracający się do nas z pytaniami związanymi z dostępnością najnowszych technologii pozwalających na addytywne tworzenie np. tkanek kości, czy drukowania 3D skóry. Niestety mylna interpretacja informacji dotyczących badań nad drukiem 3D prowadzi najczęściej do rozczarowań.

Owszem, zaawansowane prace prowadzone nad rozwojem biodruku 3D i poszukiwaniu zastosowań druku przestrzennego w innych branżach medycyny mają miejsce. Jednak wszystko jak na razie odbywa się we wczesnej fazie badań, nie wykraczając poza sale laboratoryjne. Należy pamiętać, że długotrwały proces wdrożeniowy nowych rozwiązań, który dzieli wstępną ideę od finalnej, certyfikowanej technologii może trwać nawet kilkanaście lat.

Jaskrawym przykładem niskiej świadomości ludzi o realnych możliwościach technik addytywnych w współczesnej medycynie było nasze spotkanie z reporterką jednej z największych stacji telewizyjnych w Polsce. Chcąc przeprowadzić z nami wywiad o biodruku 3D, na wstępie zapytała gdzie w Polsce można zobaczyć drukarkę 3D do tworzenia funkcjonalnych nerek? Odpowiedz jaką uzyskała nie była chyba do końca satysfakcjonująca – wszak obecnie wytworzenie niewielkich fragmentów tkanek jest dla naukowców ogromnym sukcesem, a pojedyncze przypadki drukowanych 3D narządów, spełniające przynajmniej kilka funkcji anatomicznych, to niesamowite osiągnięcie (dlatego o nich piszemy).

Realne możliwości wykorzystania technologii rozminęły się z wyobrażeniami reporterki na temat maszyn z których wyskakują bijące serca, gotowe do wszczepów. Najprawdopodobniej z powodu tego rozczarowania przyziemnością dostępnych rozwiązań materiał nie został nigdy wyemitowany…

Jeśli chodzi o biodruk 3D, warto podkreślić, że wszystkie rozwiązania nad którymi prowadzone są intensywne badania mają szansę zmienić oblicze medycyny – a szczególnie transplantologii. Nie trzeba kolejny raz przypominać, że opracowanie metody druku 3D w pełni funkcjonalnych narządów, a następnie przejście długotrwałej fazy badań wymaga czasu.

Na ile zatem technologia druku przestrzennego pomaga chirurgom w trakcie trwania zabiegów chirurgicznych i przygotowań do nich? W przypadku bardziej wymagających zabiegów, obarczonych wyjątkowym ryzykiem gruntowne przestudiowanie konkretnej jednostki chorobowej minimalizuje ryzyko błędu lekarskiego. Do tego celu zazwyczaj wystarczają zdjęcia obrazowania medycznego, jednak czasem chirurdzy maja do czynienia z nietypową anatomią warunkowaną np. wady wrodzone.

Wtedy rozwiązaniem mogą okazać się modele medyczne, często wykonywane w technologii FDM (rzadziej z wykorzystaniem żywic światłoutwardzalnych), prezentujące np. wewnętrzną sieć krwionośną danego organu. Dają one możliwość fizycznego obcowania z realnym przypadkiem, pomagając w odnalezieniu potencjalnych rozwiązania jeszcze przed rozpoczęciem właściwego zabiegu. Ze względu na fakt, że medyczna certyfikacja zarówno urządzeń jak i materiałów do druku przestrzennego jest długotrwałym i niezwykle restrykcyjnym procesem niewiele urządzeń wytwarzających detale techniką FDM ją posiada.

Jedynie odpowiednia certyfikacji jest równoznaczny z możliwością wnoszenia modeli medycznych na salę zabiegową, gdzie priorytetem jest sterylne środowisko niezagrażające zdrowiu pacjenta. Ściślej mówiąc – na blok operacyjny „mają wstęp” jedynie elementy przygotowane na maszynach dedykowanych branży medycznej – spełniające rygorystyczne normy oraz posiadające odpowiednie atesty medyczne. Wśród detali wykonywanych z materiałów certyfikowanych możemy wyróżnić dwie główne grupy – tytanowe implanty medyczne oraz zyskujące ostatnimi czasy popularność surgical guides.

Tzw. surgical guides, czyli elementy drukowane najczęściej z żywic dopuszczonych do kontaktu z krwią i tkankami żywymi organizmu. Pełnią one zazwyczaj funkcję swoistych prowadnic, pomagających chirurgom w wykonaniu właściwych nawierceń podczas mocowania metalowych płytek kostnych przy pomocy specjalistycznych gwoździ i wkrętów.

Obszarem, który w największym stopniu korzysta z tego typu udogodnień jest stomatologia oraz chirurgia twarzowo szczękowa. Żywiczna prowadnica, wykonana na podstawie indywidualnego zdjęcia CT, pozwala na określenie lokalizacji, optymalnego kąta i głębokości nawiercenia przed procesem umieszczenia implantu w kości. Obecnie najpopularniejszym producentem surgical guides dla przemysłu dentystycznego jest Stratasys – ich urządzenie Objet Eden260 pozwala na wytwarzanie precyzyjnych elementów z biokompatybilnych materiałów, ułatwiających pracę chirurgów.

Technika drukowania 3D implantów wykonywanych ze stopu medycznego stopu tytanu Ti4Al6V jest alternatywą dla klasycznych metod wytwarzania, w przypadkach skomplikowanych bądź niekonwencjonalnych geometrii. Mowa tu o implantach, które nie mogą być jednakowe dla większej grupy pacjentów – m.in. implanty twarzoczaszki, które zależą od indywidualnych cech wyglądu twarzy.

Popularność wszczepów wykonywane metodą laserowego spiekania proszku tytanowego sukcesywnie wzrasta – technologia daje możliwość m.in. produkcji elementów o porowatej powierzchni pobudzającej komórki kościotwórcze do osteointegracji. W przypadku implantów długookresowych, gdzie pożądanym zjawiskiem jest przerastanie tkanką i naczyniami krwionośnymi technologia druku 3D pozwala na wytworzenie sieci kanałów umożliwiających scalenie z komórkami biorcy.

Wśród materiałów stricte medycznych, jak tytan czy stopy na osnowie kobaltu, możemy znaleźć elementy, które pomimo należności do grupy polimerów cechują właściwości mechaniczne bliskie metalom. Badania prowadzone nad odpowiednio modyfikowanym tworzywem PEEK (specjalnie do zastosowań medycznych) wykazały szereg właściwości, które pozycjonują materiał jako świetne tworzywo do wykorzystania w medycynie rekonstrukcyjnej mózgoczaszki.

Wśród własności PEEK, świadczących o możliwości stosowania go jako wszczep można wymienić:

• moduł Younga zbliżony do ludzkiej kości, co pomaga zminimalizować naprężenia,
• wyjątkowo wytrzymały, trwały i wysoce odporny na pełzanie i zmęczenie,
• może być wielokrotnie poddawany sterylizacji, nie wykazują degradacji materiału,
• brak artefaktów w czasie badań CT czy MRI,
• posiada certyfikat FDA, który pozwala na użycie materiału w kontakcie z tkankami.

W przeciwieństwie do płytek metalowych, polimerowe materiały nie wykazują skłonności do tworzenia ognisk korozyjnych a także (co ważne w przypadku wszczepów w obszarze mózgu) nie są tak podatne na drastyczne zmiany temperatury. Materiał wykazuje właściwą osteointegrację z tkanką biorcy – w razie potrzeby może zostać przeprowadzona funkcjonalizacja powierzchni porowatym proszkiem hydroksyapatytowym.

Nowoczesne technologie sukcesywnie stają się nieodzowną częścią współczesnej medycyny. Nieuniknionym jest, że z roku na rok druk przestrzenny będzie coraz bardziej intuicyjną metodą wytwarzania na różnych poziomach – od wspomnianych modeli przedoperacyjnych po wyczekiwane drukowane 3D narządy – wielką nadzieję transplantologii. Niemniej jednak należy uzbroić się w cierpliwość śledząc najnowsze doniesienia z medycznego świata.