Druk 3D w ortopedii: lepsze implanty kolan, bioder i kręgosłupa

2 tygodni temu

Niektórzy z największych na świecie producentów implantów ortopedycznych, w tym Stryker, Johnson & Johnson, Smith & Nephew i Zimmer Biomet, wykorzystują druk 3D do produkcji implantów medycznych do kolan, bioder, kręgosłupa, kostek i innych. Szacuje się , iż setki tysięcy pacjentów na całym świecie chodzi na kolanach i biodrach drukowanych w technologii 3D. Wielu z nich może choćby nie wiedzieć, iż ich implanty są drukowane w technologii 3D.

Sektor implantów ortopedycznych to jedna z najjaśniejszych historii sukcesu przemysłowego druku 3D, czyli produkcji addytywnej (AM). Producenci implantów odkryli, iż technologia ta oferuje wyraźne zalety w porównaniu z tradycyjną produkcją, a AM obiecuje jeszcze więcej zalet w miarę swojego rozwoju.

Popyt na implanty drukowane w technologii 3D

Implanty to rozwijający się biznes. Każdego roku ponad milion Amerykanów potrzebuje operacji wymiany stawu kolanowego, a przewiduje się, iż do 2030 r. liczba ta wzrośnie do 3,5 miliona.

Nie tylko popyt jest napędzany przez starzenie się populacji i rosnące wskaźniki otyłości, które szybciej zużywają stawy, ale pacjenci wymagają więcej od swoich implantów. Chcą kontynuować uprawianie sportu, forsowne ćwiczenia i żyć z implantami dłużej niż typowe 20 lat. Więc implanty się zmieniają.

Produkcja addytywna umożliwia tworzenie implantów dostosowanych do potrzeb konkretnego pacjenta, co prowadzi do lepszych ogólnych wyników, a także spersonalizowanych instrumentów i narzędzi medycznych, które przyspieszają i ułatwiają te operacje. Lekarze drukują również w technologii 3D modele dostosowane do potrzeb konkretnego pacjenta, aby ćwiczyć operacje i uczyć studentów i pacjentów więcej o tej procedurze. Jednak w tym artykule skupiamy się na samym implancie drukowanym w technologii 3D i na tym, jak tylko druk 3D umożliwia złożoną strukturę geometryczną, która, jak wykazano, umożliwia wzrost kości w implancie, co zapewnia większą stabilność i dłuższą żywotność implantu.Druk 3D w ortopedii: lepsze implanty kolan, bioder i kręgosłupa

Technologia wzrostu kości drukowana w 3D

Medycznym terminem określającym kość wrastającą w implant jest osteointegracja. Podobnie jak gąbka, która wchłania wodę, porowata struktura powierzchni metalowej lub rusztowanie na implancie kręgosłupa, na przykład, tworzy środowisko, w którym kość wrasta w pory. Ten wrastający kość wrasta eliminuje potrzebę stosowania cementu, który jest zwykle używany do mocowania kości do metalowego implantu w przypadku implantów kolanowych, na przykład. Nadmiar cementu kostnego może z czasem poluzować się i nie tylko pozostawić zanieczyszczenia unoszące się w stawie, ale także przyspieszyć erozję implantów.

Ale nie chodzi tylko o wyeliminowanie cementu. Porowate implanty, które umożliwiają wiązanie między kością a implantem, faktycznie tworzą mocniejszą kość wokół implantu, co zmniejsza ryzyko powikłań implantu.

Aby lepiej zrozumieć znaczenie osteointegracji, musimy najpierw zrozumieć prawo Wolffa, które zostało odkryte przez Julisa Wolffa, XIX-wiecznego anatoma. Odkrył on, iż kość reaguje na siły, które są do niej przyłożone, a kość zacznie się degradować i z czasem stanie się mniej gęsta, jeżeli nie będzie narażona na działanie siły. Co to ma wspólnego z implantami medycznymi?

Ponieważ implant ze stopu tytanu jest około 3 do 4 razy sztywniejszy od kości, odciąży on otaczającą kość, co w rzeczywistości ją osłabi. Zbyt duże obciążenie kości może spowodować utratę masy kostnej. Kiedy pacjent traci kość wokół implantu, może on się poluzować i złamać.

Inżynierowie zajmujący się implantami mogą dostosować sztywność i elastyczność implantu medycznego tak, aby jak najbardziej odpowiadały sztywności kości, modyfikując wielkość i kształt każdej komórki w strukturze kratownicy.

Kto produkuje implanty drukowane w technologii 3D?

Jak wspomniano powyżej, Stryker , Johnson & Johnson , Smith & Nephew i Zimmer Biomet należą do gigantycznych światowych producentów implantów, którzy zwrócili się w stronę wytwarzania addytywnego dla wielu swoich produktów. Dodajmy do nich Medtronic , a to daje pięciu z dziesięciu największych producentów ortopedycznych na świecie.

Implanty kręgosłupa należą do najczęściej drukowanych w technologii 3D. NuVasive , SeaSpine i Orthofix Medical wprowadziły na rynek w 2021 r. porowate implanty tytanowe drukowane w technologii 3D do przedniej lędźwiowej stabilizacji międzytrzonowej (PLIF). Tsunami Medical z siedzibą we Włoszech wprowadziło na rynek od początku 2021 r. dziewięć tytanowych implantów do stabilizacji kręgosłupa drukowanych w technologii 3D.

Implanty przyszłości wytwarzane metodą addytywną

Producenci implantów ortopedycznych nie przyjęli druku 3D tylko ze względu na jego zdolność do tworzenia złożonych struktur powierzchni, chociaż byłby to wystarczający powód. Istnieje więcej korzyści z testowania dzisiaj, które zobaczymy w nadchodzących latach, takich jak:

Implanty degradowalne. Zobaczymy więcej implantów degradowalnych i nowych biomateriałów do stosowania w implantach ortopedycznych. Implanty biodegradowalne oznaczają, iż z czasem, gdy kość pacjenta integruje się z implantem, implant ulega degradacji i zostaje zastąpiony przez ludzką strukturę kostną.
Spersonalizowane implanty. w tej chwili dostosowujemy implanty do rozmiaru pacjenta, ale w niedalekiej przyszłości będziemy mogli dostosować je do wieku pacjenta, wymagań dotyczących gęstości kości i wymagań dotyczących wzrostu składników odżywczych. Będziemy mogli wykonać skanowanie i testować dane specyficzne dla pacjenta, a następnie zintegrować je z naszym oprogramowaniem CAD, aby zaprojektować spersonalizowane implanty drukowane w technologii 3D dla wszystkich pacjenta.

Obecnie tradycyjne metody produkcji, takie jak odlewanie, kucie i obróbka skrawaniem, są najczęściej stosowane w przypadku części, które nie wymagają specjalnych struktur lub geometrii, jakie można uzyskać wyłącznie dzięki druku 3D, ale może się to zmienić wraz z przejściem na personalizację implantów.

Nowe badania opublikowane w lutym 2022 r. wskazują na dziedzinę ortopedycznych „inteligentnych implantów”, które mogą odegrać istotną rolę w diagnostyce i leczeniu chorób. „Dzięki rozwojowi technologii druku 3D i materiałów możliwe jest wytwarzanie wielowarstwowych i wielomateriałowych urządzeń elektronicznych” — zauważa raport. Do tej pory inteligentne implanty ortopedyczne były wykorzystywane do oceny gojenia kości, analizy siły stawu kolanowego, monitorowania zespolenia kręgosłupa i monitorowania poluzowania protezy biodrowej.

Dr Steven Goguelin jest inżynierem ds. badań i rozwoju w firmie Gen3D.

Dr Steven Goguelin uzyskał tytuł inżyniera mechanika ze specjalizacją w projektowaniu na University of Bath w 2015 r. Kontynuował naukę, kończąc doktorat z projektowania dla produkcji addytywnej, skupiając się na roli komputerów w procesie produkcji addytywnej. W 2019 r. dołączył do Gen3D Ltd., gdzie przyjął rolę w zakresie projektowania i aplikacji, pomagając klientom maksymalizować potencjał produkcji addytywnej w ich aplikacjach.

źródło: all3dp