Kas galėjo pagalvoti, kad atsiras toks reiškinys kaip spausdinimas 3D formatu ir sukels didžiulį sąmyšį? Trijų dimensijų spausdinimas pastaraisiais dešimtmečiais tapo vis svarbesnis reiškinys sveikatos apsaugos sistemoje. Medicininės 3D spausdinimo programos sparčiai plečiasi ir yra tikimasi, kad tai sukels tam tikrą revoliuciją medicinos srityje. Medicinoje ši technologija, be kitų sričių, taikoma ortopedijoje, stuburo chirurgijoje, veido ir žandikaulių chirurgijoje, neurochirurgijoje ir širdies chirurgijoje. 3D spausdinimo taikymas medicinoje gali suteikti daug privalumų, įskaitant: medicinos produktų, vaistų ir įrangos pritaikymą, pritaikymą individualiems poreikiams; kainos efektyvumą; padidėjusį produktyvumą ir glaudesnį bendradarbiavimą. Tačiau reikia įspėti, kad nepaisant pastarojo meto reikšmingos ir įdomios medicinos pažangos, susijusios su 3D spausdinimu, tebėra reikšmingų mokslinių ir reguliavimo iššūkių, o labiausiai transformuojančioms šios technologijos programoms prireiks laiko tobulėti.
3D spausdinimo samprata
Trimatis (angl. 3D) spausdinimas yra gamybos metodas, kai objektai gaminami kompiuteriu sulydant ar sutvirtinant medžiagas – tokias kaip plastikas, metalas, keramika, milteliai, skysčiai ar net gyvos ląstelės – sluoksniais, taip sukuriant 3D objektą. Šis procesas taip pat vadinamas priedų gamyba (angl. Additive manufacturing), greito prototipo kūrimu (angl. Rapid prototyping) arba kietos vientisa laisvos formos technologija (angl. Solid free-form). Kai kurie 3D spausdintuvai yra panašūs į tradicinius rašalinius spausdintuvus, tačiau galutinis produktas skiriasi tuo, kad čia yra gaminamas 3D objektas. Tikimasi, kad 3D spausdinimas sukels perversmą medicinoje ir kitose srityse, kitaip nei spaustuvė transformavo leidybą. Yra apie dvi dešimtis 3D spausdinimo procesų, kuriuose naudojamos įvairios spausdintuvo technologijos, greitis, skiriamoji geba ir šimtai medžiagų. Šios technologijos gali sukurti beveik bet kokios formos 3D objektą, kokį tik galima įsivaizduoti, kaip apibrėžta kompiuterinio projektavimo (angl. Computer-aided design) faile. Atliekant pagrindinę sąranką, 3D spausdintuvas pirmiausia vadovaujasi CAD faile pateiktomis instrukcijomis, kad pastatytų objekto pagrindą, perkeldamas spausdinimo galvutę išilgai x – y plokštumos.
Tada spausdintuvas ir toliau laikosi instrukcijų, judindamas spausdinimo galvutę išilgai z ašies, kad objektas būtų statomas vertikaliai sluoksnis po sluoksnio. Svarbu pažymėti, kad dvimačius (2D) radiografinius vaizdus, tokius kaip rentgeno spinduliai, magnetinio rezonanso tomografiją ar kompiuterizuotą, galima konvertuoti į skaitmeninius 3D spausdinimo failus, leidžiančius sukurti sudėtingas, pritaikytas anatomines ir medicinines struktūras.
3D spausdinimas išrastas anksčiau nei tikėtasi
1980-ųjų pradžioje amerikiečių mokslininkas Charles‘as Hull‘as išrado 3D spausdinimą, kurį pavadino „stereolitografu“. Hull‘as, turintis inžinerinės fizikos bakalauro laipsnį, dirbo gamindamas plastikinius daiktus iš foto polimerų, Kalifornijoje esančioje kompanijoje „Ultra Violet Products“. Stereolitografija naudoja stl failo formatą interpretuodama duomenis CAD faile, leidžiant šias instrukcijas elektroniniu būdu komunikuoti 3D spausdintuvui. Failo instrukcijoje kartu su forma taip pat gali būti tokios informacijos kaip spausdintino objekto spalva, tekstūra ir storis. Vėliau Hullas įkūrė įmonę „3D Systems“, kuri sukūrė pirmąjį 3D spausdintuvą, vadinamą „stereolitografijos aparatu“. 1988-aisiais metais „3D Systems“ pristatė pirmąjį komerciškai parduodamą 3D spausdintuvą „SLA-250“. Nuo to laiko daugelis kitų kompanijų sukūrė 3D spausdintuvus komercinėms reikmėms, tokias kaip „DTM Corporation“, „Z Corporation“, „Solidscape“ ir „Objet Geometries“ . Hull‘o darbas, taip pat kitų tyrėjų pažanga, padarė perversmą gamyboje ir yra pasirengusi tai padaryti daugelyje kitų sričių, įskaitant ir mediciną.
3D spausdinimas – tamsa tunelio gale
Šiandien 3D spausdinimą plačiai naudoja sveikatos priežiūros pramonė ir akademinė bendruomenė. Tai suteikia komercinių medicinos produktų ir platformą naujoms tyrimų sritims, įskaitant audinių ir organų spausdinimą. 3D spausdinimas medicinoje pradėtas naudoti nuo 2000-ųjų pradžios, kai ši technologija pirmą kartą buvo naudojama dantų implantavimui ir specialiam protezavimui gaminti. Nuo to laiko medicininė 3D spausdinimo programa labai išsivystė. Dabartinę medicininę 3D spausdinimo paskirtį galima suskirstyti į kelias plačias kategorijas: audinių ir organų gamyba ir protezų bei implantų kūrimas. Audinių ar organų nepakankamumas dėl senėjimo, ligų, nelaimingų atsitikimų ir apsigimimų yra kritinė medicininė problema. Dabartinis organų nepakankamumo gydymas dažniausiai priklauso nuo gyvų ar mirusių donorų organų transplantacijos. S. A. Irvine‘as ir S. S. Venkatraman‘as savo mokslinėje publikacijoje pabrėžė, kad 2015 metais Jungtinėse Amerikos Valstijose organą persodinti prireikė 121 070 tūkstančių žmonių. Nepaisant to, tais metais buvo atlikta tik 2553 operacijų, o laukiant organo persodinimo kasdien mirė maždaug 22 žmonės. Kas 15 minučių į organų transplantacijos laukiančiųjų sąrašą įtraukiamas vis kitas asmuo. Be to, gyventojai sensta, todėl labai tikėtina, kad reikės žymiai daugiau organų operacijų. Todėl nepaprastai svarbu būti pasiruošus. Aukštos kokybės fizinių organų modeliai vaidina svarbų vaidmenį klinikiniame gydyme ir medicininiame ugdyme. 3D spausdinti organų modeliai pirmiausia padeda gydytojams atlikti chirurginę analizę ir prieš operacinius mokymus. Asmeniniai sudėtingų formų medicininiai modeliai, pagaminti naudojant 3D spausdinimą, gali suteikti gydytojams ir inžinieriams terpę bendrauti ir padėti planuoti ir diagnozuoti chirurgiją. Kitame moksliniame straipsnyje skelbiama, kad Melburne, Australijoje Monašo universitete mokslininkai sukūrė unikalų 3D atspausdintą žmogaus anatominį modelį, pagamintą iš panašių į gipso miltelius ar plastiką medžiagų, nuskaitydami tikrus anatominius egzempliorius, naudodami kompiuterinę tomografiją arba plokštuminį lazerinį skaitytuvą. Ši didelės skiriamosios gebos 3D atspausdintų anatominių kopijų serija, įskaitant galūnes, krūtinę, pilvą, galvą ir kaklą bei kitas pagrindines kūno dalis, yra prieinama anatomijos mokymams medicinos koledžuose ar ligoninėse.
Tačiau biologinių organų spausdinimas dar toli nuo realybės. Viso organo spausdinimas šiuo metu išlieka tik ateities siekiu ne todėl, kad funkcinių ląstelių negalima atspausdinti, bet todėl, kad struktūra išlieka pernelyg sudėtinga esamiems dabartiniams metodams.
3D spausdinimas taps naująja realybe?
Implantus ir protezus galima pagaminti beveik bet kokioje įsivaizduojamoje geometrijoje, rentgeno, magnetinio rezonanso ar kompiuterinės tomografijos tyrimus paverčiant skaitmeniniais 3D spausdinimo failais. Tokiu būdu 3D spausdinimas sėkmingai naudojamas sveikatos priežiūros sektoriuje gaminant tiek standartinius, tiek sudėtingai protezuojamas galūnes ir chirurginius implantus, kartais tai daroma 24 valandas. Šis metodas buvo naudojamas dantų, stuburo ir klubų implantams gaminti. Taip pat būtina paminėti, kad 3D spausdintus protezus galima pritaikyti pagal individualų skonį ir jie kainuoja daug pigiau nei tradicinės alternatyvos. Teisingai 3D atspausdinta protezo ausis, galinti aptikti elektromagnetinius dažnius, buvo pagaminta naudojant silicio, chondrocitų ir sidabro nanodaleles. Vis labiau pastebima tendencija gaminti 3D spausdintus implantus iš įvairių metalų ir polimerų, o pastaruoju metu implantai netgi buvo atspausdinti gyvomis ląstelėmis. 2018 metais publikuotame moksliniame straipsnyje teigiama, kad 3D spausdinimas turėjo transformacinį poveikį klausos aparatų gamybai. Šiandien 99% klausos aparatų, kurie telpa į ausį, yra pagaminti pagal užsakymą naudojant 3D spausdinimą. Kiekvieno ausies kanalas yra skirtingai formuojamas, o naudojant 3D spausdinimą, galima pagaminti pagal užsakymą pagamintus įtaisus efektyviai ir nebrangiai.
Pritaikytų 3D spausdintų klausos aparatų pristatymą rinkai palengvino tai, kad I klasės medicinos prietaisams, naudojamiems išoriniam naudojimui, taikomi mažesni reguliavimo apribojimai. Bendrovės „Invisalign“ petnešos yra dar vienas sėkmingas komercinis 3D spausdinimo panaudojimas – kiekvieną dieną atspausdinama 50 000 vienetų. Šios aiškios, nuimamos, 3D atspausdintos ortodontinės petnešos gaminamos pagal užsakymą ir yra unikalios kiekvienam vartotojui. Šis produktas yra pagirtinas pavyzdys, kaip 3D spausdinimą galima efektyviai ir pelningai panaudoti gaminant pavienius, individualius, sudėtingus daiktus.
3D spausdinimas tapo naudinga ir potencialiai transformuojančia priemone daugelyje skirtingų sričių, įskaitant mediciną. Mokslininkai ir toliau tobulina esamas medicinos programas, kuriose naudojama 3D spausdinimo technologija, ir ieško naujų. Nuo šiandien daugybė tradicinių gamybos technologijų yra pakeistos naujomis 3D spausdinimo technologijomis, nes jos gali geriau valdyti apdorojimą, didesnį matmenų tikslumą ir greičiau pagaminti pacientui pritaikytus prietaisus. Padaryta medicinos pažanga naudojant 3D spausdinimą jau yra reikšminga ir įdomi, tačiau kai kurioms ateities revoliucijos 3D spausdinimo paskirtims, tokioms kaip organų spausdinimas, prireiks ilgo laiko, norint tinkamai išvystyti.
