چاپ سه بعدی در بهداشت و درمان

زمان مطالعه: 10 دقیقه

چاپ سه بعدی در بهداشت و درمان

چاپ سه بعدی در حال ایجاد فرصتی بزرگ برای صنعت پزشکی است. بر اساس گزارش شرکت تحقیقات بازار SmarTech Analysis در حال حاضر ارزش بازار پرینت سه بعدی پزشکی 1.25 میلیارد دلار برآورد شده است. قرار است ارزش این بازار در سال 2027 به 6.08 میلیارد دلار افزایش یابد.

بخش‌های متعددی در صنعت پزشکی، از جمله ارتوپدی و دندانپزشکی از چاپ سه بعدی بهره می‌برند. این فناوری راه های جدید و هیجان انگیزی را برای ارائه مراقبت های شخصی و ساخت وسایل پزشکی با عملکرد بهتر ارائه می دهد.

در مقاله حاضر، ما کاربرد های کلیدی پرینت سه بعدی در پزشکی و چگونگی تکامل آن ها، چالش های پذیرش گسترده تر و آینده پرینت سه بعدی پزشکی را بررسی خواهیم کرد.

3 کاربرد کلیدی پرینت سه بعدی در بهداشت و درمان

1.       ایمپلنت های ارتوپدی چاپ سه بعدی

ایمپلنت های ارتوپدی، وسایل پزشکی هستند که از طریق جراحی برای جایگزینی مفصل یا استخوان از دست رفته استفاده می شوند و بیشترین بهره را از چاپ سه بعدی می برند. این فناوری متخصصان پزشکی را قادر می‌سازد تا ایمپلنت‌های مناسب تر، ماندگارتر و با کارایی بالاتر را بیافرینند.

بیش از یک دهه پیش (سال 2007) برای اولین بار از پرینت سه بعدی برای ایمپلنت های ارتوپدی استفاده شد. در سال 2010، Adler Ortho Group (پذیرنده اولیه فناوری چاپ سه بعدی فلز ذوب با پرتوهای الکترونی Arcam) اولین تاییدیه FDA را برای ایمپلنت های ساخته شده توسط پرینت سه بعدی دریافت کرد.

امروزه می توان از این فن آوری برای ساخت طیف گسترده ای از ایمپلنت های ستون فقرات، هیپ (مفصل ران)، زانو و جمجمه استفاده کرد. تا پایان سال 2019، تخمین زده شده بود که بیش از 600000 ایمپلنت با پرینت سه بعدی تولید شود. تا سال 2027، این تعداد می تواند به چهار میلیون افزایش یابد.

علاوه بر ذوب با پرتوهای الکترونی (EBM)، ذوب لیزری انتخابی یکی دیگر از فناوری های چاپ سه بعدی فلزی است که توسط تولیدکنندگان تجهیزات ارتوپدی استفاده می شود. هر دو فناوری برای کار با فلزات زیست سازگار مانند تیتانیوم بهینه شده اند و می توانند بسیاری از ایمپلنت های پیچیده را در یک دسته تولید کنند.

به عنوان مثال، استودیو Slice Mfg.کمپانی تولیدی مستقر در ایالات متحده می گوید که هر یک از دستگاه های Arcam Q10 EBM می تواند هر پنج روز حدود 70 کاسه استابولوم مفصل ران را تولید کند.

یکی از عوامل افزایش تقاضا برای ایمپلنت های چاپ سه بعدی، پتانسیل افزایش عملکرد ایمپلنت است. به لطف انعطاف پذیری طراحی ارائه شده توسط چاپ سه بعدی، ایمپلنت ها را می‌توان با ساختار های سطحی متخلخل طراحی کرد و ادغام سریع تر بین استخوان زنده و ایمپلنت مصنوعی را تسهیل کرد.

صنعت تجهیزات پزشکی ارتوپدی در انحصار تعداد کمی از شرکت های پزشکی چند میلیارد دلاری به ویژه Stryker، DePuy Synthes، Medtronic و Smith & Nephew قرار داردکه همگی فعالانه در حال بررسی ساخت افزودنی (AM) برای طیف وسیعی از وسایل پزشکی نوآور هستند.

به عنوان مثال، Stryker اخیراً ایمپلنت های پرینت سه بعدی، از جمله کیچ کمری خلفی خمیده تریتانیوم TL چاپ سه بعدی را روانه بازار کرده است. این ایمپلنت ستون فقرات با بدنه توخالی در مارس 2018 تاییدیه FDA را دریافت کرد.

از پرینت سه بعدی در ارتوپدی، تا حد زیادی برای بهبود طراحی ایمپلنت های استاندارد برای عملکرد بهتر آن ها استفاده می شود. با این حال، بزرگترین پتانسیل در تولید ایمپلنت های بیمار محور نهفته است، که به دلیل مسائل نظارتی که در زیر به آن خواهیم پرداخت تا حد زیادی استفاده نشده باقی می ماند.

علیرغم چالش های فعلی، پرینت سه بعدی ایمپلنت های اختصاصی یک فرصت کلیدی برای بخش ارتوپدی است و فرصتی است که در سال های آینده شاهد رشد فوق العاده‌ای خواهد بود.

2. جراحی شخصی سازی شده

فناوری های چاپ سه بعدی به طور فزاینده ای برای توسعه مدل های بیمار محور از اندام ها و ابزارهای جراحی، با استفاده از تصویربرداری پزشکی از خود بیمار، استفاده می شوند.

مدل های تشریحی بیمار محور (مختص بیمار)

در حال حاضر مدل های تشریحی یکی از پرکاربردترین های پرینت سه بعدی در صنعت پزشکی هستند. دسترسی به نرم افزار CAD/CAM پزشکی و پرینترهای سه بعدی رومیزی ارزان قیمت در حال افزایش است و بیمارستان های بیشتری را قادر می سازد لابراتوآرهای چاپ سه بعدی داشته باشند.

در چنین لابراتوآر هایی، متخصصان پزشکی می توانند مدل های پرینت سه بعدی با دقت بالا را برای کمک به برنامه ریزی قبل از جراحی تولید کنند. مدل‌های آناتومیک پرینت سه بعدی به جراحان کمک می‌کند تصمیمات درمانی بهتری را ارزیابی کرده و جراحی های خود را دقیق تر برنامه‌ریزی کنند.

این فرآیند با گرفتن سی تی اسکن یا ام آر آی آغاز می شود. سپس اسکن ها تجزیه و تحلیل و اصلاح می‌شوند تا نواحی نامطلوب را حذف کرده و مناطق مورد نظر را حفظ کنند (فرآیندی که به عنوان بخش بندی شناخته می‌شود). استخوان ها، عروق و ارگان های توپر همگی باید به روش های مختلف مدل شوند. پس از ایجاد مدل دیجیتال، به فرمت فایل STL تبدیل می شود؛ برای چاپ آماده و به یک چاپگر سه بعدی ارسال می شود.

برای مثال، بیمارستان کودکان رادی در ایالات متحده، یک آزمایشگاه نوآوری های سه بعدی تاسیس کرده است که در آن مهندسان پزشکی ده ها مدل را در هفته به صورت سه بعدی چاپ می کنند.

جان نیگرو، رئیس بخش جراحی قلب کودکان بیمارستان رادی در مصاحبه ای با KPBS News گفت: “ما در واقع می نشینیم و مدل ها را تجزیه و تحلیل می کنیم و این به ما کمک می کند تا درک کنیم که رویکرد بهینه برای ترمیم نقص چیست.”

با آماده شدن برای عمل جراحی با استفاده از یک مدل پرینت سه بعدی، جراحان می توانند مدت زمانی را که بیمار در اتاق عمل می گذراند کاهش دهند. در نهایت، این امر منجر به عوارض کمتر و نتیجه بلند مدت بهتری برای بیمار می شود.

فراتر از جراحی، چاپگر های سه بعدی که می توانند اندام های بیمار را تکثیر کنند، ابزار عالی برای تحقیقات و آموزش پزشکی هستند. به عنوان مثال، در دست گرفتن یک مدل و مشاهده پاتولوژی از زوایای مختلف به دانشجویان کمک می کند تا مراحل مربوط به جراحی را با وضوح بیشتری درک کنند.

ابزار های جراحی پیشرفته

حوزه دیگری که پرینت سه بعدی در آن تاثیرگذار است ابزار های جراحی شخصی است. ابزارهای جراحی مانند فورسپس، هموستات، دسته چاقوی جراحی و گیره ها را می توان با استفاده از چاپگرهای سه بعدی تولید کرد. ساخت ابزار جراحی شخصی فواید زیادی دارد. آن ها موجب تسهیل روش های سریع تر و کمتر آسیب زا می شوند؛ مهارت جراح را افزایش می دهند و از نتایج بهتر جراحی پشتیبانی می کنند.

برای چنین کاربرد هایی، شرکت های چاپ سه بعدی مواد زیست سازگاری از جمله ترموپلاستیک های با کارایی بالا مانند Ultem، PEEK، نایلون و همچنین فلزاتی مانند فولاد ضد زنگ، نیکل و آلیاژهای تیتانیوم را توسعه داده اند که می توانند در برابر استریلیزاسیون مقاومت کنند.

شرکت تجهیزات پزشکی آلمانی endocon GmbH، از پرینت سه بعدی فلز و آلیاژ فولاد ضد زنگ (4-17Ph) برای ساخت یک ابزار جراحی برای برداشتن هیپ کاپ (کاپ استابولار-مفصل ران) استفاده کرده است. هدف این بود که فرآیند برداشتن هیپ کاپ آسان تر و سریع تر شود.

در شرایط عادی، این روش حدود 30 دقیقه طول کشیده و با یک اسکنه انجام می شود، که خطر آسیب به استخوان و بافت را دارد. این به نوبه خود می تواند سطح استخوان را ناهموار و کاشت ایمپلنت جدید را دشوارتر کند.

این ابزار جدید دارای تیغه های تولید افزایشی (ساخت افزودنی) است که امکان برش دقیق تر در امتداد لبه استابولوم را فراهم می‌کند و به جراحان اجازه می‌دهد کاپ را در سه دقیقه خارج کنند.

از نظر زیست سازگاری، گفته می‌شود که تیغه های پرینت سه بعدی منجر به نتیجه ثابت تری در تعویض هیپ کاپ می‌شوند و نرخ پس زدن را از 30٪ به کمتر از 3٪ کاهش می‌ دهد. علاوه بر این، تولید و تکمیل تیغه های پرینت سه بعدی تنها سه هفته طول می کشد، در حالی که هزینه ها تا 45 درصد کاهش می یابد.

همانطور که مزایای پرینت سه بعدی برای دستگاه های جراحی به طور گسترده ای شناخته می شود، نمونه هایی مانند این در آینده بسیار رایج تر خواهند شد.

3. تجهیزات پزشکی و دندانپزشکی

وسایل پزشکی و دندانپزشکی مانند پروتز، بریس، دندان مصنوعی، ترمیم ها و الاینر های شفاف می توانند به طور قابل توجهی از چاپ سه بعدی بهره مند شوند. بر اساس گزارشی، ارزش بازار جهانی تجهیزات پزشکی پرینت سه بعدی در سال 2017 تقریباً 890 میلیون دلار بود. انتظار می‌رود این بازار تا پایان سال 2024 حدود 2.34 میلیارد دلار درآمد ایجاد کند که به یک فرصت رشد قابل توجه اشاره می‌کند.

شخصی سازی کردن کم هزینه یک مزیت کلیدی است که منجر به پذیرش چاپ سه بعدی برای ابزارهای پزشکی و دندانپزشکی می شود. یک چاپگر سه بعدی برای تولید یک وسیله فقط به یک فایل دیجیتالی نیاز دارد که این امر امکان سفارشی سازی یک طرح را آسان تر و تولید بسیاری از وسایل مختلف در یک دسته را ممکن می سازد.

با ساخت سنتی مانند قالب‌گیری، هر ابزار سفارشی نیاز به تجهیزات خاصی دارد که تولید سفارشی را از نظر اقتصادی غیرقابل توجیه می‌کند.

با پرینت سه بعدی، اندام های مصنوعی بسیار مقرون به صرفه تر و سریعتر تولید می شوند. علاوه بر این، از این فناوری می توان برای ساخت پروتزهای متناسب با آناتومی بیمار استفاده کرد و در نتیجه تناسب (اندازه بودن) پروتز را بهبود بخشید.

از پرینت سه بعدی به طور فزاینده ای برای ساخت پروتز برای کودکان استفاده می شود. رشد سریع کودکان به این معنی است که آن ها می توانند به سرعت از پروتزهای سنتی پیشی بگیرند. در نتیجه، لازم است هر چند سال یکبار  پروتز ها را با یک نسخه بزرگتر جایگزین کرد. هزینه های کمتر مرتبط با پرینت سه بعدی، این محصول را به گزینه ای بسیار مناسب برای تولید تبدیل می کند.

به عنوان مثال، سازمان غیرانتفاعی Limbitless Solutions به کودکان فرصت می دهد تا با انتخاب از مجموعه ای از پالت های رنگی و طرح هایی که شخصیت آن ها را منعکس می کند، اندام مصنوعی خود را سفارشی کنند.

سپس طرح ها با استفاده از فناوری فیلامنتی یا FDM از Stratasys و پلاستیک های بادوام مانند ABS (اکریلونیتریل بوتادین استایرن ) به صورت سه بعدی چاپ می شوند. پرینت سه بعدی علاوه بر توانایی ایجاد طرح های پیچیده پروتز، هزینه تولید را کاهش می دهد. در برخی موارد، هزینه پروتز Limbitless  چهل برابر کمتر از یک اندام مصنوعی سنتی است.

پرینت سه بعدی در دندانپزشکی

پیش بینی می شود که پرینت سه بعدی تاثیر زیادی در بخش دندانپزشکی بگذارد. گزارشی ارائه شده توسط SmarTech Analysis نشان می دهد که درآمد حاصل از دندانپزشکی با چاپ سه بعدی تا سال 2021 به 3.7 میلیارد دلار خواهد رسید و این فناوری تا سال 2027 به روش تولیدی پیشرو برای ترمیمات و ابزار دندانپزشکی در سراسر جهان تبدیل خواهد شد.

Avi Reichental، بنیانگذار XponentialWorks، در مصاحبه ای با AMFG می گوید: ما شاهد این هستیم که چاپ سه بعدی در حال تبدیل شدن به یکی از ابزارهای کلیدی در زمینه هایی مانند مراقبت از دندان و ترمیم دندان است. این موضوع دیجیتالی نه فقط در آزمایشگاه، بلکه در کلینیک دندانپزشکی و تا حد زیادی از اسکن داخل دهانی گرفته تا گردش کار و برنامه ریزی توسعه یافته است. بنابر این می توانید بازاری را ببینید که آماده پذیرش عمومی است.

شاید بتوان گفت ساخت الاینرهای شفاف (ابزار صاف کننده نامرئی دندان) بزرگترین مورد استفاده از پرینت سه بعدی در دندانپزشکی امروزی باشد. شرکت های بزرگ الاینرهای شفاف مانند Align Technology و NextDent از چاپ سه بعدی برای ایجاد صدها هزار از آن ها استفاده می کنند.

طی پنج سال آینده، پیش‌بینی می‌شود که پرینت سه بعدی به حدی تکامل یابد که بتوان از آن برای ساخت الاینرهای شفاف به طور مستقیم استفاده کرد.

چاپ سه بعدی در مراقبت های بهداشتی: دیدگاه های نظارتی

استفاده از پتانسیل کامل چاپ سه بعدی برای مراقبت های بهداشتی چالش بهمراه دارد. در حال حاضر، فقدان یک چارچوب نظارتی جامع برای محصولات پزشکی و دندانپزشکی چاپ سه بعدی یکی از بزرگترین موانع این صنعت است.

چندین نهاد نظارتی در حال کار بر روی توسعه استاندارد هایی برای چاپ سه بعدی در مراقبت های بهداشتی هستند. به عنوان مثال، سازمان غذا و داروی ایالات متحده (FDA)، در دسامبر 2017 دستورالعملی با عنوان «ملاحظات فنی برای وسایل ساخت افزودنی» صادر کرد. این راهنما ملاحظات فنی و توصیه های مربوط به طراحی، ساخت و آزمایش وسایل پزشکی با چاپ سه بعدی را برجسته می‌کند.

استاندارد سازی وسایل پزشکی

تجهیزات پزشکی بر اساس میزان آسیبی که ممکن است به بیمار وارد کنند، سه دسته اصلی هستند.

کلاس I: این وسایل خطر کمی را برای بیمار دارند. به عنوان مثال می توان به کانول های اکسیژن بینی، گوشی های پزشکی دستی و اسپلینت های دست اشاره کرد.

کلاس II: این ابزرا ها تهاجمی‌تر هستند و خطر متوسطی را برای بیمار دارند. اکثر وسایل پزشکی کلاس II هستند که نمونه هایی از آن‌ها شامل لوله‌های تراشه، صفحات استخوانی و پروتزهای رادیال مفصل آرنج می‌شود.

کلاس III: اینها وسایلی هستند که بیشترین خطر را برای بیمار دارند و شامل دریچه های آئورت، پروتز های فلزی محدود هیپ (مفصل ران) و استنت های کرونری هستند.

این فناوری پیشرفت کرده است تا ایمپلنت ها و ابزار های پیشرفته تری تولید کند که شامل تجهیزات پزشکی کلاس III یا پرخطر می شود.

برای تأیید وسایل تحت کلاس I، تولیدکنندگان باید ثابت کنند که محصول نهایی تا حد زیادی مشابه وسایلی است که در حال حاضر در بازار وجود دارد.

برای وسایل پزشکی کلاس II و III، FDA و سایر نهاد های نظارتی هنوز دستورالعمل هایی را در مورد تأیید قبل از فروش صادر نکرده‌اند. این محصولات نوآورانه هستند و احتمالاً برای آن ها به اصلاحاتی در چارچوب نظارتی پزشکی موجود نیاز است.

تا به امروز، بیش از 100وسیله پزشکی توسط FDA تایید شده است که بیشتر آن ها در دسته تجهیزات پزشکی کلاس I قرار می گیرند.

تنظیم وسایل بیمار محور (مختص شخص بیمار) پیچیده ترین حالت است. وسایل پزشکی که به طور سنتی تولید می‌شوند استاندارد و یک اندازه هستند. با این حال، با محصولی که سفارشی شده است، آزمایش تک تک وسایل که خود سفارشی هستند می تواند چالش برانگیز باشد.

در آینده، برای ایجاد فرصت های بیشتر برای شخصی‌سازی، نهاد های نظارتی باید راه هایی برای نحوه پیش تأیید وسایل سفارشی بیابند.

در حال حاضر، این امر چالش برانگیز است. بنابراین، نهاد های نظارتی باید بر نحوه رسیدگی به تفاوت های بین افراد و نه فقط شباهت ها تمرکز کنند تا این سطح از مراقبت شخصی‌سازی شده را فعال کنند.

سازمان‌هایی مانند FDA در تلاش هستند تا با تعیین حداکثر و حداقل اندازه ها یا ویژگی های وسایل سفارشی بر این مشکل غلبه کنند.

چالش های بازپرداخت

عدم بازپرداخت می تواند مانع بزرگی برای بیمارستان هایی باشد که به فکر ایجاد آزمایشگاه چاپ سه بعدی هستند.

در صنعت مراقبت سلامت، بازپرداخت به توصیف پرداختی می پردازد که یک بیمارستان، پزشک، مرکز تشخیصی یا سایر ارائه دهندگان خدمات درمانی برای ارائه خدمات پزشکی دریافت می کنند. اغلب، یک بیمه‌گر سلامت یا یک پرداخت‌کننده دولتی هزینه تمام یا بخشی از مراقبت ارائه شده را پوشش می‌دهد.

در حالی که ممکن است هزینه ایمپلنت مفاصل یا فیکساتور استخوانی چاپ سه بعدی تایید شده توسط FDA بازپرداخت شود، مدل های سه بعدی آناتومی و هزینه های تخصصی بیمار اغلب پرداخت نمی شوند.

خوشبختانه، سازمان های خدمات درمانی فعالانه در حال تلاش برای تغییر آن هستند. به عنوان مثال، انجمن پزشکی آمریکا (AMA) اخیراً چهار کد اصطلاحات رویه فعلی (CPT) رده III را برای مدل های آناتومیک چاپ سه بعدی و ابزارهای برش یا سوراخ کردن پرینت سه بعدی شخصی‌سازی شده تأیید کرده است.

چهار کد جدید به رادیولوژیست ها و سایر پزشکان اجازه می دهد تا برای خدمات چاپ سه بعدی به دنبال بازپرداخت باشند. محرک دیگر برای استفاده از کدهای CPT، اطمینان از ثبت تمام مراحل تولید یک وسیله پزشکی پرینت سه بعدی است. داده های جمع آوری شده از طریق کدها برای پشتیبانی از فرآیندهای تایید FDA استفاده می شود.

معرفی کدها برای چاپ سه بعدی پزشکی، نقطه عطفی در مسیر پذیرش گسترده چاپ سه بعدی در مراقبت های بهداشتی است.

آینده چاپ سه بعدی در خدمات درمانی

چاپ سه بعدی قرار است جایگاهی اساسی در آینده مراقبت های بهداشتی داشته باشد. امروزه این فناوری به تیم های جراحی، هم در داخل (ابزار جراحی) و هم در خارج (مدل های تشریحی) اتاق عمل، کمک می کند. علاوه بر این، محصولات دندانپزشکی را ارزان تر و سریع تر می‌سازد و مراقبت شخصی را از طریق ابزار ها و ایمپلنت های سفارشی شده امکان پذیر می کند.

در سال 2019، بیمارستان ها و آزمایشگاه های پیشرو از چاپ سه بعدی به عنوان بخشی از اقدامات پزشکی و تلاش های تحقیقاتی خود استفاده کردند. این امر به عنوان تأیید دیگری از ارزش فناوری برای کاربردهای پزشکی است.

حمایت از تکامل فناوری در صنعت پزشکی، تلاش مشترکی برای ایجاد مجموعه ای تک و منسجم از استاندارد ها و روش های تست محصولات پزشکی پرینت سه بعدی است. غلبه بر چالش های قانونی و نظارتی فعلی مطمئناً به هدایت فناوری در آینده کمک می کند.

با نگاهی فراتر از برنامه های مورد بحث در این مقاله، پتانسیل چاپ سه بعدی در حال گسترش به سایر بخش های خدمات درمانی است. از جمله آن ها می توان به چاپ زیستی و پزشکی ترمیمی، چشم پزشکی و داروسازی اشاره کرد. در اینجا، چاپ سه بعدی هنوز در مراحل اولیه است، اما پتانسیل آن قابل توجه است.

در مجموع، آینده مراقبت های بهداشتی بسیار متفاوت از امروزه به نظر می رسد و چاپ سه بعدی یکی از فناوری های کلیدی برای پیشبرد این تحول هیجان انگیز و معنادار خواهد بود.

3D Printing In Healthcare: Where Are We In 2021? (Updated)

خروج از نسخه موبایل