Drucken von Personenteilen

Der Ersatz von Knien, Hüften und anderen Gelenken ist nur der Anfang für den 3D-Druck

Es ist eine traurige Tatsache im Leben, dass unser Körper umso mehr zu versagen beginnt, je älter wir werden. Früher hätte dies möglicherweise eine einfache Fahrt zur See auf der nächsten Eisscholle bedeutet. Doch dank moderner Medizintechnik können sich Menschen auf ein längeres und schmerzfreieres Leben freuen.

Einer der coolsten und fortschrittlichsten Wegbereiter dieser modernen medizinischen Technologien? Natürlich Additive Fertigung (AM).

Mit AM können Ärzte patientenspezifische Ersatzteile für alternde Hüften und Knie entwerfen. Sie können maßgeschneiderte Orthesen entwickeln, verschiedene körperliche Verletzungen reparieren, 3D-realistische Modelle für Schulungen und Operationsplanung drucken und medizinische Geräte herstellen, die bisher unpraktisch oder gar nicht herzustellen waren. Dies führt zwar zu geringeren Kosten und verbesserten Patientenergebnissen, in vielen Fällen kann der 3D-Druck jedoch auch über Leben und Tod entscheiden.

Diana Hall behauptet nicht, lebensrettende Geräte zu drucken, aber sie wird Ihnen sagen, dass das Tragen eines Produkts ihres Unternehmens den Heilungsprozess verbessert und bequemer und bequemer ist und weniger stinkt als ein herkömmlicher Gipsverband.

Hall ist Gründer und CEO von ActivArmor Inc., einem Startup, das die Art und Weise verändert, wie Ärzte Knochenbrüche behandeln. Anstatt den betroffenen Bereich mit einer Glasfaser- oder Gipshülle zu umhüllen, die die Sicht auf die Haut und die Behandlung blockiert und für Routineuntersuchungen abgesägt werden muss, kann medizinisches Personal einfach den Arm, das Handgelenk, das Bein oder den Knöchel des Patienten mit einer kostenlosen Smartphone-App scannen und senden Sie die resultierenden Daten an praktisch jeden 3D-Drucker.

Je nachdem, wo sich der 3D-Drucker befindet – in der Praxis des Arztes, an einem regionalen Fertigungsstandort oder unter Dutzenden ähnlicher Maschinen im ActivArmor-Werk in Pueblo, Colorado – ist der individuell angepasste, wiederverwendbare Gipsverband innerhalb weniger Stunden einsatzbereit oder ein paar Tage. Im letzteren Fall bietet ActivArmor auch 3D-gedruckte Schienen an, die während des Wartens getragen werden können.

„Es gibt eine hohe Rate an Nichteinhaltung bei Gipsabdrücken“, sagte Hall. „Sie werden durchnässt und schmutzig. Die Verpackung löst sich. Dinge bleiben darin hängen, sodass der Patient sie abnimmt, weil es ihn stört und er nicht duschen kann. Oftmals erleiden Patienten beim Entfernen Schnittwunden oder Verbrennungen.“

„Mit unserer Lösung verbessert sich die Compliance der Patienten erheblich“, fuhr Hall fort. „Es wird mit Kabelbindern befestigt und muss zum Duschen oder Schwimmen nicht abgenommen werden. Da es aus desinfizierbarem Kunststoff besteht, lässt es sich leicht sauber halten. Außerdem ist es viel atmungsaktiver und es ist nicht wie bisher ein mehrfaches Anlegen erforderlich.“ mit Gips – in den meisten Situationen trägt ein einzelnes 3D-gedrucktes Gerät den Patienten vollständig durch den Heilungsprozess, während es von einem Langarm- in einen Kurzarmgips und von einem fixierten Gips in eine abnehmbare Schiene umgewandelt wird die Kosten sind viel geringer.“

EastPoint Prosthetics and Orthotics Inc. stellt ebenfalls keine lebensrettenden medizinischen Produkte her, obwohl seine Arbeit durchaus lebensverändernd sein kann. Wie viele andere Ärzte hat auch die Klinik in Kinston, North Carolina, die Herstellung selbst in die Hand genommen und in mehrere Multi Jet Fusion (MJF)-Drucker von HP Inc. investiert. Das Unternehmen lernt außerdem, wie man eine breite Palette kundenspezifischer Geräte entwirft und baut .

EastPoint begann 2018 mit 3D-Druck-Dienstleistungsunternehmen zusammenzuarbeiten, entschied sich jedoch innerhalb eines Jahres für die Anschaffung einer eigenen Maschine. Der Hauptgrund: Qualität.

„Auftragshersteller sind im Allgemeinen ziemlich gut, aber sie versuchen auch, den Gewinn zu maximieren, sodass sie möglicherweise etwas in einer suboptimalen Ausrichtung bauen oder eine sehr dichte Verschachtelungsstrategie verwenden, die zu Defekten führen könnte“, erklärt Brent Wright, zertifizierter Orthopädietechniker und Orthopädietechniker bei EastPoint. „Aber die Orthesen und Prothesen, die wir herstellen, gehen an die Menschen. Es ist nicht wie bei einem Konsumgut, bei dem man, wenn etwas schief geht, einfach ein neues druckt. Unterm Strich dürfen wir keine Ausfälle haben.“

Es steht zugegebenermaßen viel auf dem Spiel, aber bei EastPoints Unterfangen ging es um viel mehr als nur um das Erlernen der Herstellung von Kniestützen und Schuheinlagen. Viele der 3D-gedruckten Geräte, die das Unternehmen herstellt, sind tragfähig – beispielsweise ein Schaft, der zur Verbindung eines Amputierten mit einer Gliedmaßenprothese verwendet wird, oder eine postoperative Anpassung.

Wright und das Team mussten lernen, die mechanischen Eigenschaften und die strukturelle Integrität der von ihnen hergestellten Kunststoffteile physikalisch zu testen. Der Prozess könnte mit dem beginnen, was ActivArmor zu beseitigen versucht: einem Gipsverband.

Wright weist jedoch schnell darauf hin, dass EastPoint mit allem funktioniert, was es von Ärzten erhält, sei es eine Reihe von 3D-Scans, eine Glasfaserform oder ein digitales Modell des Körperteils des Patienten.

Abhängig vom Gerät und den erforderlichen Designänderungen kann die Datei dann in eines von mehreren Softwarepaketen für Aufgaben wie Netzbereinigung, Finite-Elemente-Analyse und Verarbeitung vor dem Bau verschoben werden. Nylon12 und thermoplastisches Urethan (TPU) sind die am häufigsten verwendeten Polymere für tragende Teile, Wright stellte jedoch fest, dass neue Anwendungen und Materialien entstehen, von denen einige einer zusätzlichen Bearbeitung in der Dampfpoliermaschine der Klinik unterzogen werden (für Glätte).

Auf die Frage, warum 3D-Druck für Geräte benötigt wird, die Spezialisten seit Jahrhunderten von Hand herstellen, war Wrights Antwort nicht überraschend. „Wir haben eine alternde Bevölkerung von supererfahrenen, hochqualifizierten Orthopädie- und Prothetiktechnikern, und wir sind nicht in der Lage, sie zu ersetzen“, stellte er fest. „Mit der additiven Fertigung können wir ihr Talent effektiver nutzen und eine kritische Lücke in unserer Branche schließen.“

Was den Metall-3D-Druck betrifft, gibt es Marle Tangible Solutions Inc. aus Fairborn, Ohio, wo die Führungskräfte Adam Clark und Chris Collins ihre Tage damit verbringen, eine breite Palette orthopädischer Implantate zu drucken und nachzubearbeiten. „Wirbelsäulenkomponenten sind seit langem unser Brot und Brot, aber wir haben kürzlich in neue Märkte expandiert“, sagte Collins. „Wir stellen mittlerweile eine Vielzahl von Fuß- und Knöchelteilen sowie Schrauben, Anker und anderen Geräten der Klassen 1, 2 und 3 her, die alle aus der Titanlegierung Ti-6Al4V der Güteklasse 23 bestehen.“

Tangible ist seit seiner Einführung im Jahr 2013 schnell gewachsen. Das Unternehmen hat im vergangenen Jahr zehn Investitionsgüter hinzugefügt und produziert laut Collins derzeit fast 200.000 Implantate pro Jahr. Der Erfolg erregte die Aufmerksamkeit der französischen Marle-Gruppe, eines Vertragsherstellers medizinischer Geräte, der im vergangenen Jahr eine Mehrheitsbeteiligung an Tangible erwarb.

Keines der Teile, die Tangible druckt, ist neu, und jeder, der Zeit in einer Werkstatt für medizinische Maschinen verbracht hat, wird die verschiedenen Wirbelsäulenkäfige, Schienbeinschienen und Hüftgelenkpfannen erkennen, die es alle schon seit Jahrzehnten gibt. Angesichts der Tatsache, dass AM zugegebenermaßen viel langsamer ist als herkömmliche Prozesse, stellt sich dann die Frage: Warum drucken?

„Wir sind preislich ziemlich wettbewerbsfähig, aber die Gründe für den Erfolg des 3D-Drucks in diesem Bereich gehen weit über die Kosten hinaus“, sagte Clark. „Zum Beispiel wird einem traditionell hergestellten Schulterschaft Plasmaspray hinzugefügt, um Rauheit für eine verbesserte Knochenhaftung zu erzeugen. Aber wir sind in der Lage, diese Rauheit auf eine Weise zu gestalten und aufzubauen, die mit anderen Verfahren nicht möglich ist. Wir können ihn in Kegel oder Dreiecke formen, oder machen Sie es in bestimmten Bereichen glatter, um einen weniger aggressiven Biss zu erzielen. Und es ist keine Maskierung oder eine kostspielige Nachoperation erforderlich.

„Außerdem besteht großes Potenzial, die mechanischen Eigenschaften der Komponenten anzupassen – Sie möchten beispielsweise unterschiedliche Steifigkeitsgrade basierend auf dem Gewicht des Patienten sowie die Möglichkeit, Implantate oder Korrekturgeräte auf der Grundlage von CT-Scans des betroffenen Bereichs herzustellen.“ „, fuhr Clark fort. „Tatsächlich haben wir einem unserer Kunden geholfen, den ersten kundenspezifischen Käfig für den 510(k)-Genehmigungsprozess freizugeben.“

Dan Crawford weiß alles über die Umwandlung der durch CT-, MRT- und PET-Scans gewonnenen DICOM-Daten in patientenspezifische medizinische Geräte. Als Gründer von Axial Medical Printing Ltd. – unter dem Markennamen Axial3D und Partnerunternehmen des 3D-Druckgiganten Stratasys Ltd. – leitet er die täglichen Abläufe am Hauptsitz des Unternehmens in Irland.

DICOM ist die Abkürzung für Digital Imaging and Communications in Medicine. Crawford hat ein Unternehmen aufgebaut, das es Chirurgen, Krankenhäusern und Medizingeräteherstellern so einfach wie möglich macht, DICOM-Daten zu segmentieren oder in patientenspezifische Modelle umzuwandeln, die in 3D gedruckt oder mit anderen Lösungen wie Augmented und Virtual Reality verwendet werden können ( (AV/VR)-Technologien.

„Die überwiegende Mehrheit unseres Unternehmens besteht aus Software-Ingenieuren, biomedizinischen Ingenieuren und Ingenieuren für maschinelles Lernen, deren Aufgabe es ist, das zu unterstützen und weiterzuentwickeln, was im Wesentlichen ‚Segmentierung als Dienstleistung‘ ist“, erklärte Crawford. „Dadurch entfällt für medizinische Anbieter die Notwendigkeit, in teure Software zu investieren und dann zu erlernen, wie man sie verwendet. Stattdessen haben wir eine Reihe von Algorithmen für maschinelles Lernen entwickelt, die einen Großteil des Prozesses automatisieren, für den normalerweise ein hochqualifizierter Techniker erforderlich ist – der Chirurg lädt einfach hoch.“ die zweidimensionalen Bilddateien auf unsere Cloud-Plattform und erhält innerhalb eines Tages oder weniger ein druckfertiges CAD-Modell zurück. Außerdem erfolgt die nutzungsbasierte Bezahlung, sodass keine Vorabkosten anfallen.“

Für Krankenhäuser und Kliniken, die keinen Zugang zu einem 3D-Drucker haben, hat die Partnerschaft von Axial3D mit Stratasys zur Gründung eines Servicebüros geführt, das gerne alle DICOM-Bilder druckt, die ihm zugesandt werden. Diese können den individuell angepassten Orthesen ähneln, die EastPoint Prosthetics jeden Tag herstellt, oder es könnte sich um Nachbildungen der Wirbelsäule, des Herzens oder anderer Körperteile eines Patienten handeln, die ein Chirurg zum Üben und Planen eines bevorstehenden medizinischen Eingriffs verwendet.

Das ist Musik in den Ohren von Ärzten und Patienten gleichermaßen, denn bezahlbare, einfach zu beschaffende und individuell anpassbare medizinische Geräte werden mit Sicherheit zu besseren Ergebnissen für alle Beteiligten führen. Aber was ist mit Crawfords früherem Kommentar zu AR/VR? Werden diese neueren Technologien den 3D-Druck chirurgischer Planungswerkzeuge bald überflüssig machen?

Laut Crawford überhaupt nicht. „Die beiden ergänzen sich völlig. Ein orthopädischer Chirurg möchte an einem Objekt üben, das sich wie Knochen und Muskel anfühlt, und der 3D-Druck wird immer besser darin, die Textur und Farbe von menschlichem Gewebe nachzubilden“, erklärte er. „AR/VR kann diese Berührung und dieses Gefühl nicht reproduzieren – zumindest noch nicht –, aber was es kann, ist, dass ein Herz-Kreislauf-Chirurg in Blutgefäße hineinzoomt und winzige Details sieht, die ein 3D-gedrucktes Modell nicht liefern kann. … Beide sind notwendig, und beide werden weiterhin Vorteile bieten, von denen man vor einem Jahrzehnt nur träumen konnte.“

Apropos sich ständig weiterentwickelnde Technologien: Treffen Sie Mattia Brodar, Vertriebsleiterin der in Zürich ansässigen Spectroplast AG, einem Unternehmen, das eine produktive, wiederholbare Methode zum 3D-Drucken eines wichtigen medizinischen und industriellen Materials – Silikon – entwickelt und darauf aufbauend ein Servicebüro aufgebaut hat. Das sind erfreuliche Neuigkeiten für alle, die Teile aus Flüssigsilikonkautschuk (LSR) herstellen möchten, ohne die Werkzeugkosten und Vorlaufzeiten, die beim Spritzgießen oder Gießen anfallen, aber es könnte bald zu noch besseren Neuigkeiten für diejenigen führen, die sich lieber mit AM-Themen befassen möchten ihre eigenen Hände.

„Unser Geschäftsmodell basiert auf der Produktion von Teilen für unsere Kunden“, betonte Brodar. „Um Möglichkeiten zur Kommerzialisierung unserer AM-Technologie zu erkunden, haben wir etwa ein Dutzend Desktop-Drucker als schlüsselfertige Lösung namens SAM hergestellt, was für Silicone Additive Manufacturing steht. Während wir also noch die Zukunft dieses Produkts bewerten, haben wir auch einen entwickelt Neue Drucklösung für unseren On-Demand-Service, die viel größer ist – sie bietet eine Bauplattform von einem Meter x 30 cm – und Anwendungen weit über die medizinische Industrie hinaus bietet.“

Was ist das Besondere am 3D-Druck von Silikon? Und warum sollte man sich angesichts der Hunderten, vielleicht Tausenden verfügbaren Polymere überhaupt die Mühe machen, eine silikonspezifische Maschine zu erfinden? Zunächst einmal hat LSR die Konsistenz von Erdnussbutter, und bisher hat sich die Verarbeitung für AM als nahezu unmöglich erwiesen, obwohl es schlechtere Eigenschaften bietet.

Spectroplast behauptet, ein proprietäres, lichtbasiertes System entwickelt zu haben, das keine wesentlichen Änderungen gegenüber den bekannten Prozessen aufweist. Noch wichtiger ist laut Brodar, dass die Maschine in puncto Teilequalität und Genauigkeit neue Maßstäbe setzt.

Was das Material angeht, besteht Brodar darauf, dass dieselben Silikonkautschuke verwendet werden, die in der Branche seit mehr als einem Jahrhundert bekannt sind. Er wird nicht darauf eingehen, wie es dem Unternehmen gelungen ist, das Silikon lichthärtbar zu machen, und er wird auch nicht ausführlich auf die Abschwächung der Abziehkräfte eingehen, denen alle Drucker von hochviskosen Materialien ausgesetzt sind. Er wird Ihnen sagen, dass keine Gefahr einer Schichtablösung besteht und dass die gedruckten Teile von Spectroplast in allen Achsen eine nahezu gleichmäßige Festigkeit aufweisen.

Dies öffnet die Tür zu allen möglichen biokompatiblen Teilen, einschließlich der zuvor beschriebenen chirurgischen Modelle sowie Hörgeräten, Physiotherapiegeräten, Armbändern, Schlauchverbindern und den Dichtungen und Dichtungen, die in medizinischen Geräten zu finden sind. Bis vor Kurzem war die Bauplattform auf etwa die Größe eines Smartphones beschränkt, aber das scheint sich mit der bevorstehenden Veröffentlichung des großformatigen, industriellen SAM von Spectroplast zu ändern.

Was ist mit dem Elefanten im Operationssaal: FDA-Zertifizierung? „Das Problem besteht darin, dass der gesamte Prozess zertifiziert werden muss, um wiederum ein bestimmtes Produkt zu zertifizieren“, sagte Broadar. „Als Dienstleister stellen wir eine große Vielfalt an Teilen her, daher können wir dies noch nicht erreichen, aber wir arbeiten eng mit unseren Partnern zusammen, um sicherzustellen, dass sie es können. Allerdings war die Reaktion der medizinischen OEMs und anderer Silikonproduktentwickler sehr.“ positiv."

Ob medizinisch orientiert oder nicht, die Implementierung einer 3D-Drucktechnologie kann ein schwieriger Weg sein, der mit kostspieligen Schlaglöchern und unerschwinglich langen Lernkurven gespickt ist. Shannon VanDeren, Inhaberin und Präsidentin von Layered Manufacturing and Consulting Inc., Cornelius, NC, meinte, dass der beste Weg, diese Herausforderungen zu meistern, darin bestehe, einen sachkundigen Partner zur Beratung zu finden.

„Ich habe im Laufe der Jahre beobachtet, wie eine Reihe großer Anbieter – für die ich teilweise gearbeitet habe – potenziellen Kunden Lösungen anbieten, bevor diese das Problem überhaupt verstehen“, sagte VanDeren. „Wenn sie nur einen Drucker verkaufen, der sich hervorragend für Titan eignet, dann ist das die Antwort, auch wenn der Kunde möglicherweise auch Aluminium oder ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol) drucken muss. Dieser Ansatz kam mir immer rückständig vor.“

Glücklicherweise knüpfte VanDeren unterwegs viele Kontakte und war daher gut vorbereitet, als sie sich auf den Weg machte. Das war im Jahr 2015, und sie beobachtet weiterhin Verkaufsprozesse, bei denen es nicht darum geht, die Produktionshalle zu besichtigen oder sich ein umfassendes Verständnis für die Bedürfnisse und zukünftigen Ziele des Kunden zu verschaffen. In einem bemerkenswerten nichtmedizinischen Fall erhielt sie einen Anruf von einem Unternehmen, das kürzlich einen 3D-Drucker gekauft hatte, der seine öldichten Kernteile nicht herstellen konnte. „Dank eines uninformierten Verkäufers haben sie jetzt eine sehr teure Garderobe.“

Ihr Rat? Bilden Sie sich so gut wie möglich weiter, erweitern Sie Ihr Netzwerk um Personen mit Erfahrung im 3D-Druck und erwägen Sie, den Rat von jemandem wie ihr einzuholen. Sie wird Ihnen auch sagen, dass Sie nicht verzweifeln sollten: Auch wenn AM für einen Early Adopter abschreckend wirken mag, wird es immer schlanker und kosteneffektiver.

„Ich denke, dass das Kompetenzniveau der Branche aus mehreren Gründen steigt“, fügte VanDeren hinzu. „Einer ist, dass die Leute nach Corona wieder den Job wechseln und ihr 3D-Druck-Wissen mitnehmen. Das ist für ihre ehemaligen Arbeitgeber nicht so toll, aber es wird denjenigen, die sie eingestellt haben, auf jeden Fall helfen, sich auf den neuesten Stand zu bringen.“ schneller. Und die Messen sind wieder in vollem Gange. Die Leute können vorbeikommen, lernen und sehen, was in den letzten drei Jahren passiert ist, als wir alle zurückgezogen waren.

„Abschließend denke ich, dass Menschen und Unternehmen ein wenig daran interessiert sind, mitzuteilen, wie sie Additive verwenden“, fuhr VanDeren fort. „Natürlich verrät niemand Geheimtipps, aber jedes Maß an Informationsaustausch ist positiv. Es ist das alte Sprichwort darüber, wie eine steigende Flut alle Boote anhebt.“

Verbinde dich mit uns