Sağlık alanında üç boyutlu yazıcılar

Bu blog yazısı "Mammadov E. Three-Dimensional Printing in Medicine, Cyprus J Med Sci 2018; 3(3): 186-8" yayınının özet çevirisidir. Yazarın izni alınmıştır.

Katı nesnelerin katman katman eklenerek üretilmesi işlemine eklemeli imalat denir. Bu terim 2000'li yılların başında popüler hale geldi ve katmanlı imalatta kullanılan süreçleri tanımlayan “3B baskı” adı verilen daha popüler bir terime dönüştü. İlk üç boyutlu yazıcılar 1980'lerde geliştirildi, ancak asıl heyecan 90'ların sonlarında ticari 3D yazıcıların kitlelere tanıtılmasından sonra başladı. Gerçek popülerlik, kendilerini “maker” olarak adlandıran topluluk aracılığıyla sağlandı. Bu meraklılar ortak tasarımları kullanmış ve açık kaynak kodları aracılığıyla kamuoyuna sunmuştur. Sosyal medyanın gelişmesi, video akışı ve online parça alışverişinin gelişmesiyle birlikte online montaj talimatlarına sahip kitler sıradan kullanıcıların kullanımına açılmış ve bu da piyasadaki üç boyutlu yazıcı fiyatlarının büyük oranda düşmesine neden olmuştur. Sağlık sektörü hızla üç boyutlu baskıyı iş akışına entegre ederek sektörün lokomotiflerinden biri haline geldi. Bu yazımızda 3D baskı sürecini, kullanılan teknolojileri, uygulamalarını ve tıp alanındaki güncel durumunu kısaca özetlemeye çalışacağız.

Kısaca üç boyutlu baskı

Tüm süreç, bilgisayar destekli tasarım, 3B tarayıcı, fotogrametri veya tıbbi görüntüleme yazılımı aracılığıyla elde edilen üç boyutlu bir modelle başlar. 3B yazıcılar delikleri, yüzeyleri, kendi kendine kesişme noktalarını ve manifold hatalarını tanımadığından, elde edilen modeller yazdırmadan önce hatalar açısından incelenmelidir. Bu soruna özellikle 3B tarama ile elde edilen modellerde rastlanmaktadır. “Dijital temizleme ve hazırlama”dan sonra, 3B dosya, modeli ince katmanlara dönüştüren ve 3B yazıcı tarafından tanınan bir kod üreten ''dilimleyici'' adı verilen yazılım tarafından işlenir. Bu koda g-kodu denir ve belirli bir makine için bir dizi koordinat ve komut içerir. Bu kısma kadar süreç tüm üreticiler için oldukça aynıdır. Asıl fark, üç boyutlu baskı için kullanılan yöntemle başlıyor ve bu alanda 20'ye yakın farklı teknoloji var. En yaygın olanları FDM, stereolitografi, seçici lazer sinterleme ve multijet teknolojisidi. FDM, erimiş termoplastik katmanlarının hareketli bir ekstrüzyon sıcak ucu aracılığıyla bir yatak üzerine birbiri üzerine eklenmesi sürecini tarif eder. Bu, kullanım kolaylığı ve ucuz makinelerin ve tedarik malzemelerinin geniş bulunabilirliği nedeniyle dünyanın her yerindeki üreticiler tarafından en sık kullanılan yöntemdir. Stereolitografi (SLA), UV (ultraviyole) ile kürlenebilen bir reçinenin eritilmesi yerine bir tankta yüksek hassasiyetli lazerler ile polimerize edildiği işlemdir. Bu teknik, en hassas modelleri üretir ve diş hekimliği alanında yaygın olarak benimsenir. Seçici lazer sinterleme (SLS), toz polimer katmanını katman katman kürlemek için lazer kullanır. Bu yöntem, esas olarak mühendislik uygulamaları için sofistike dayanıklı parçalar üretir. Multijet işlemi, lazer veya bir ısı kaynağı ile anında kürleme ile katman katman püskürtülen tozun kullanılmasıdır. Son iki teknoloji tam zamanlı teknik desteğe ihtiyaç duyar, doğası gereği daha endüstriyeldir ve makineler sıradan kullanıcılar için uygun değildir. Daha yakın zamanlarda metal 3D baskı terimi endüstriye tanıtıldı ve zaten özel cerrahi kılavuzların ve implantların üretimi için kullanılıyordu. Bu teknoloji, katman katman lazer veya metal tozunun ısı füzyonuna dayanmaktadır.

Tüm bu teknolojilerin farklı çözünürlükleri, baskı süreleri, parça başına fiyatları vardır ve değişken mukavemet özelliklerine sahip farklı malzemeler kullanır. Örneğin, bir SLA baskısı, parça başına yüksek bir fiyatla ancak orta düzeyde sağlamlıkla son derece ayrıntılı bir model sunar ve çoğunlukla diş ve damar prosedürlerinden önce 3D modelleri yazdırmak için uygundur. SLS baskısı, çoğunlukla polyamid ile basıldığı için güçlü ve detaylıdır ancak toz temizleme istasyonu gerektirir ve FDM ve SLA baskılarından daha pahalıdır. FDM baskılı model, SLA'dan daha ucuz ve daha güçlüdür ancak daha düşük baskı detayı sunar ve genellikle baskının yanı sıra ayrı çıkarılabilir destek yapılarının yazdırılmasını gerektirir. Bu nedenle, araştırma amacıyla belirli bir makineyi almaya karar vermeden önce bu teknolojilerin bilgisi çok önemlidir.

Tıp alanındaki güncel uygulamalar

Cerrahi planlama ve eğitim

Ortopedik, maksillofasiyal, spinal, kalp ve onkolojik cerrahide ameliyat öncesi planlama için üç boyutlu baskı, şu anda yayınlanmış literatürde en öne çıkan konulardır. Modern tıbbi görüntüleme iş istasyonları, hasta görüntülerini 3B modellere dönüştürme imkanı sunar. Bu işlem, DICOM görüntülerini ücretsiz olarak kullanılabilen açık kaynaklı görüntüleme yazılımı seçeneklerine yükleyerek de mümkündür. Yazılım, görüntünün bölümlere ayrılmasını sağlar, bu da ilgilenilen bölgenin dilimler halinde seçilmesi ve onu katı bir 3B nesneye dönüştürülmesi anlamına gelir. Bu nesne ayrıca dijital temizleme ve baskıya hazırlık için başka bir yazılıma aktarılır. Bu yöntem, cerrahların özellikle komplike vakalarda ameliyata hazırlanmalarına ve intraoperatif karar süresini kısaltmalarına olanak tanır. Sodian ve arkadaşları, 3B basılmış stereolitografik kopyaların ameliyatların planlanmasında son derece yararlı olduğunu gösterdi. Bu yöntem aynı zamanda cerrahın ortopedik, spinal ve maksillofasiyal operasyonlar için hastaya ve lezyona özel kılavuzlar üretmesini de sağlar. Basılı modeller ayrıca hastanın planlanan cerrahi prosedürü daha iyi anlamasına yardımcı olabilir ve aynı zamanda modeller hem öğrenci hem de asistan eğitimi için ayrılabilir. Bununla birlikte, mevcut literatür, üç boyutlu baskının cerrahi planlama üzerindeki önerilen olumlu etkilerini kanıtlamak için randomize kontrollü çalışmalardan yoksundur.

Hastaya özel implantlar

Bu muhtemelen cerrahi alanında üç boyutlu baskının en umut verici yönüdür. Hastalardan elde edilen görüntüler, cerrahın ameliyatı 3B baskılı bir model ile planlamasına olanak tanır. Aynı zamanda bu görüntü yeniden oluşturulabilir ve belirli bir hastanın özel ihtiyaçlarına göre uyarlanmış bir implant, özel yazılımla modellenebilir. Bu yaklaşım halihazırda birkaç merkez ve ticari şirket tarafından uygulanmakta ve hastaya özel implantlar 3B baskı yoluyla üretilmektedir. Phan ve arkadaşları tarafından belgelenen bir vakada 3B baskılı spinal implant, C1/C2 füzyonu olan hastada genel operasyon süresini ve nörovasküler sorun riskini azalttı. Ne yazık ki bu alandaki araştırmalar daha çok spesifik patolojilerin tedavisine yönelik olgu sunumları ve olgu serilerinden oluşmaktadır.

3B Biyo-baskı

3B baskının bir diğer uygulaması biyofabrikasyon alanındadır. Biyo-baskı terimi, biyouyumlu bir hidrojel içinde veya sferoid oluşumu yoluyla süspanse edilmiş canlı hücrelerin katman biriktirme yoluyla üretim sürecini ifade eder. Biriktirme, ekstrüzyon veya püskürtme tabanlı tekniklerle elde edilir. Biyo-baskı için kullanılan polimerler jelatin, aljinat, kollajen, fibrin gibi doğal veya polietilen glikol (PEG), polikaprolakton (PCL) ve polilaktid koglikolid (PLGA) gibi sentetiktir. Mevcut araştırmalar, esas olarak, hücrelerin in vitro olarak uzun süreli hayatta kalması için en uygun ortamı sağlamak ve polimerlerin geliştirilmesine odaklanmaktadır. Bununla birlikte, asıl zorluk, doğal hücre dışı matrisi tam olarak taklit edememek ve hücreden hücreye sinyal ve etkileşimleri tam olarak sağlayamamaktır. Bu nedenle bu süreç son derece karmaşıktır ve hem mühendislik, hem polimer hem de hücre bilimleri alanında yüksek düzeyde uzmanlık gerektirir. Basılı hücre kümeleri, işlevsel bir doku yapısı oluşturmak için biyoreaktörlerde daha da olgunlaştırılır. Bu alandaki araştırmaların mevcut hızı ile gelecekte 3B baskılı doku ve organları öngörmek mümkündür.

Gelecek perspektifleri

Üç boyutlu baskı kesinlikle tıp alanında önemli bir yer edinmiştir ve en çarpıcı gelecek perspektifi 3B biyo-baskı alanındadır. Halihazırda temel görevleri yerine getirebilen göreceli olarak ucuz 3B biyoyazıcılar düşük fiyatlar nedeniyle yaygın olarak kullanılabilir hale gelmekte ve aynı zamanda birçok merkez araştırma amacıyla kendi yazıcılarını inşa etmektedir. Araştırmanın mevcut durumu bile, yakın gelecekte 3B baskılı organ ve doku yapılarını öngörmektedir. Hastaya özel implant ve protez üretimi alanında da bir başka kesin artış beklenmekte ve pek çok şirket implantlarını titanyum dahil farklı malzemelerle basılmış olarak sunmaktadır. Muhtemelen bu yaklaşım yakın gelecekte bir cerrahi rutin haline gelecektir.