Aditívna výroba z kovu v medicínskych aplikáciách

V oblasti medicíny možno pozorovať výrazné využitie AM – pri výrobe kĺbových náhrad alebo presných a zložitých individuálnych implantátov pre rôzne oblasti medicíny, ako je neurochirurgia, maxilofaciálna chirurgia, traumatológia, hrudná chirurgia, stomatológia, plastická a estetická chirurgia a pod. [2]. Článok opisuje možnosti kovovej aditívnej výroby, jej výhody oproti štandardným výrobným technológiám využívaných v medicíne, prehľad výrobcov zariadení a typov, ktoré sa využívajú v medicínskych aplikáciách, a opis vybraných medicínskych a dentálnych aplikácií.

Termín aditívna výroba zahŕňa technológie, pomocou ktorých sa vytvára objekt z trojdimenzionálnych (3D) dát, a to zhotovovaním postupných vrstiev objektu z požadovaného materiálu [7]. Bežne sa AM označuje ako 3D tlač, ktorá využíva procesy počítačovej automatizovanej výroby (computer-automated manufacturing – CAM) na výrobu fyzických 3D objektov vrstvu po vrstve z modelov pomocou počítačovo podporovaného dizajnu (computer-aided design – CAD). Použité materiály môžu byť plasty, keramika, kovy, kvapaliny alebo živé bunky, čo robí tento proces mimoriadne všestranným. AM je relatívne presná a nákladovo efektívna, čo umožňuje spoľahlivú výrobu objektov tvarovo prispôsobených používateľovi a aplikácii. Na obr. 1 je podiel AM v jednotlivých odvetviach priemyslu, pričom medicínske aplikácie tvoria približne 16 % [8].

Z celkovej produkcie pomocou AM sa najčastejšie používajú polymérne materiály, ktoré zahŕňajú až 59 % celkovej produkcie. Následne je druhým najčastejšie používaným materiálom kov – 32 % všetkých aplikácií [9]. Spočiatku sa aditívne technológie využívali na výrobu prototypov, neskôr na kusovú výrobu, dnes už môžeme hovoriť o malosériovej výrobe v rôznych priemyselných odvetviach.

Prehľad 3D tlače v medicínskych aplikáciách

Aditívne technológie sa používajú v medicíne od roku 2000, keď sa prvýkrát použili na výrobu zubných implantátov a v protetike [11]. Dobrým príkladom medicínskych aplikácií sú individuálne implantáty, ktoré sú pri použití tradičných metód obrábania na výrobu časovo náročné a nákladné. Špecializované alebo prispôsobené chirurgické nástroje pomáhajú skrátiť čas operácie. Zlepšenie ergonómie alebo jednoduchšieho používania nástroja pomáha chirurgovi a tiež znižuje riziko, že implantát nie je správne fixovaný.

V medicínskych aplikáciách sa využívajú metódy aditívnej výroby, ako je napríklad metóda priameho spekania kovového prášku (DMLS), selektívneho laserového sinterovania/tavenia (SLS/SLM), priama tlač z kovového prášku (DMP), metóda tavenia elektrónovým lúčom (EBM), resp. ďalšie technológie bližšie opísané v tab. 1. Tieto technológie využívajú výkonný laser, resp. elektrónový lúč, pomocou ktorého sa lokálne sinteruje, príp. taví kovový prášok a tým sa vytvára požadovaná geometria. V porovnaní s technológiou odlievania sa môžu pomocou kovovej aditívnej výroby vyrábať napr. stomatologické náhrady, pórovité implantáty na mieru, chirurgické navádzacie systémy a množstvo iných zdravotníckych pomôcok (obr. 2).

Budúcnosťou v AM náhrad tkanív a orgánov je 3D tlač buniek na tzv. nosiče alebo konštrukcie s cieľom tvorby skáfoldov. Preto by 3D tlač ľudských buniek a bunkových štruktúr mohla pomôcť pri testovaní liečiv a stať sa tak neoddeliteľnou súčasťou farmaceutického priemyslu, kde je neoceniteľný etický prínos v podobe eliminácie testov na zvieratách. Predpokladá sa, že bioaditívna výroba bude súčasťou tzv. výrobných nemocníc, kde sa budú dizajnovať a vyrábať náhrady tkanív a orgánov.

Aditívna výroba z kovu v implantológii a v oblasti stomatológie

Implantáty a stomatologické náhrady môžu byť vyrobené v takmer akejkoľvek predstaviteľnej geometrii pomocou prenosu röntgenových, MRI alebo CT skenov do digitálnych tlačových 3D súborov vo formáte. stl. Celý postup aditívnej výroby z kovu v medicíne je znázornený na obr. 3 v stomatologickej aplikácii. AM sa dnes už bežne používa na výrobu stomatologických, spinálnych a bedrových sériových implantátov, ako aj implantátov na mieru pre rôzne časti ľudského tela.
V medicínskej AM je rozšírené okrem polymérov využitie kovových zliatin, a to hlavne na báze titánu (napr. cp Ti, Ti-6Al-4V – Grade 5, Ti-6Al-4V ELI –Grade 23) kvôli ich pevnosti, tuhosti, nízkej hmotnosti, odolnosti proti korózii a hlavne biokompatibilite. Titán umožňuje výrobu pórovitej architektúry s definovanou geometriou na fixáciu, pričom sa znižuje odolnosť proti napätiu vznikajúcom pri kontakte implantátu s tkanivom (tzv. stress-shielding effect). Okrem titánu sa využívajú aj nehrdzavejúca oceľ a zliatiny kobaltu.

Aj v stomatologickej oblasti sa pozornosť najviac sústredí na zliatiny kobaltu a titánu. Zliatina kobaltchrómu (CoCr) je najviac používaným materiálom v stomatologickej oblasti hlavne kvôli jej jednoduchému spracovaniu a relatívne dobrej biokompatibilite. Zliatina CoCr sa používa v stomatológii na výrobu snímateľných cˇiastočných zubných náhrad a kovových konštrukcií (korunky a mostíky).

Technológia výroby zubných náhrad a konštrukcií za posledných 30 rokov rýchlo napreduje, a to hlavne vďaka vývoju simulácie, digitalizácie a implementácie aditívnych technológií. Využívanie systémov CAD/CAM v dentálnej oblasti viedlo k eliminácii mnohých manuálnych činností, zvýšeniu presnosti zubných náhrad a konštrukcií, ako aj zníženiu času výroby. Aditívne technológie boli vyvinuté ako alternatíva subtraktívnej technológie výroby koruniek a mostíkov (frézovanie).

Aditívna technológia ponúka množstvo výhod oproti subtraktívnej alebo tradičnej metóde výroby zubných náhrad. Prvou výhodou je možnosť výroby geometricky zložitejších prvkov, ako aj kontrolovateľnosť a rýchlosť procesu výroby. Ďalšími výhodami je možnosť výroby z rôznych materiálov a optimalizácia mechanických vlastností. V súčasnosti je k dispozícii relatívne široký výber aditívnych technológií s využitím v implantológii a stomatologickej oblasti (tab. 1).

Zavedenie novej výrobnej technológie vyžaduje experimentálne testovanie – verifikáciu na nastavenie kvality procesov a produktov v stomatológii a implantológii. Dôležité je nastavenie výroby v zmysle nových štandardov, ktoré postupne vyžadujú rôzne inštitúcie, ako je napr. americká FDA [15].

Tab. 1 Vybraní výrobcovia zariadení pre aditívnu výrobu v implantológii a stomatologickej oblasti [9]

Záver

Vývoj aditívnej výroby z kovu v medicínskych aplikáciách vedie k redukcii finančných prostriedkov z hľadiska nákladov výrobných spoločností alebo aj nákladov na starostlivosť o pacienta. Aditívne technológie umožňujú pri aplikácii environmentálnych princípov vytvárať optimalizované produkty s využitím biomimetiky (inšpirácia prírodou, napr. pórovité štruktúry, biomechanická a hmotnostná optimalizácia). Stále je však aj v tejto oblasti priestor na výskum a vývoj, najmä pri vytváraní nových materiálov (napr. magnéziové zliatiny, pamäťové či inteligentné materiály), zrýchľovaní procesov, zabezpečovaní opakovateľnosti výroby, resp. zjednodušovaní práce s týmito výrobnými technológiami.

Poďakovanie

Publikácia vznikla vďaka projektom Agentúry na podporu výskumu a vývoja – APVV-17-0278, APVV-14-0294, APVV-15-0356 a projektu VEGA, 1/0179/19 Výskum, vývoj a testovanie bioreaktora pre kultiváciu tkanív a orgánov po bioaditívnej výrobe, projekt Medicínsky univerzitný vedecký park v Košiciach MEDIPARK faza I – ITMS 26220220185, MediPark, Košice – Fáza II. –  ITMS 2014+: 313011D103.

Literatúra

[1] Schubert, C. – Langeveld, van M. C. – Donoso, L. A.: Innovations in 3D printing: a 3D overview from optics to organs. In: British Journal of Ophthalmology, 2014, 98(2), pp. 159 – 161.
[2] Klein, G. T. – Lu, Y. – Wang, M. Y.: 3D printing and neurosurgery – ready for prime time? In: World Neurosurgery, 2013, 80(3 – 4), pp. 233 – 235.
[3] Banks, J.: Adding value in additive manufacturing: Researchers in the United Kingdom and Europe look to 3D printing for customization. In: IEEE Pulse, 2013, 4(6), pp. 22 – 26. [PubMed]
[4] Mertz, L.: Dream it, design it, print it in 3-D: What can 3-D printing do for you? In: IEEE Pulse, 2013, 4(6), pp. 15 – 21. [PubMed]
[5] Ursan, I. – Chiu, L. – Pierce, A. Three-dimensional drug printing: a structured review. In: Journal of the American Pharmaceutical Association, 2013, 53(2), pp. 136 – 144. [PubMed]
[6] Gross, B. C. – Erkal, J. L. – Lockwood, S. Y. et al.: Evaluation of 3D printing and its potential impact on biotechnology and the chemical sciences. In: Analytical Chemistry, 2014, 86(7), pp. 3240 – 3253.
[7] ASTM F2792-12a, Standard Terminology for Additive Manufacturing Technologies (Withdrawn 2015), ASTM International, West Conshohocken, PA, 2012. Dostupné na: www.astm.org.
[8] Additive Manufacturing for Medical Technology: an overview of the additive manufacturing market and its role on the advances in medical, bioprinting and drug discovery. MedTec. 2015. Dostupné na: www.medtec.com.
[9] Medical Additive Manufacturing/ 3D Printing: Annual Report 2018. Medical Manufacturing Inovations. 2018. Dostupné na: https://www.sme.org/medical-additive.
[10] Lewandowski, J. – Seifi, M.: Metal additive manufacturing: a review of mechanical properties. In: Annual review of materials research, 2016, 46, pp. 151 – 186.
[11] Cui, X. – Boland, T. – D’Lima, D. D. – Lotz, M. K.: Thermal inkjet printing in tissue engineering and regenerative medicine. In: Recent Patents on Drug Delivery and Formulation, 2012, 6(2), pp. 149 – 155.
[12] Paul, G. M. – Rezaienia, A. – Wen, P. – Condoor, S. – Parkar, N. – King, W. – Korakianitis, T.: Medical Applications for 3D Printing: Recent Developments. In: Missouri medicine, 2018, 115(1), pp. 75 – 81.
[13] Tuomi, J.: Medical Applications of Additive Manufacturing – Application-Oriented Classification for Case Design and Documentation. Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 172/2018. ISSN 1799-4942.
[14] Klein, G. T. – Lu, Y. – Wang, M. Y.: 3D printing and neurosurgery – ready for prime time? In: World Neurosurgery, 2013, 80(3 – 4), pp. 233 – 235.
[15] Lövgren, N. – Roxner, R. – Klemendz, S. – Larsson, Ch.: Effect of production method on surface roughness, marginal and internal fit, and retention of cobalt-chromium single crowns. In: The Journal of Prosthetic Dentistry, 2017, Vol. 118, Iss. 1, pp. 95 – 101. ISSN 0022-3913.

doc. Ing. Radovan Hudák, PhD.
Ing. Viktória Rajťúková, PhD.
Ing. Alena Findrik Balogová,PhD.
Dr. h. c. prof. Ing. Jozef Živčák, PhD., MPH

Technická univerzita Košice
Strojnícka fakulta
Katedra biomedicínskeho inžinierstva a merania
radovan.hudak@tuke.sk
viktoria.rajtukova@tuke.sk