3D tlač v ortopédii

Technlógia 3D tlače a inovácie v ortopédii

Autor: MUDr. Radoslav Zamborský PhD., MPH

Pred desiatkami rokov sme hovorili o 3D tlačiarňach ako o science-fiction. Hoci idea 3D tlače v ortopédii vznikla už v 80. rokoch, dnes táto populárna a rýchlo sa rozvíjajúca technológia spôsobila prevrat takmer v každom priemysle od módy, architektúry, leteckého priemyslu, prípravy potravín, ale aj v medicíne. Práve tu, rapídne preniká nielen do výskumu, ale už aj do bežnej klinickej praxe, priamo k pacientom. Aj keď stále sme iba na začiatku, práve medicína, farmácia a biotechnologický priemysel budú v najbližších rokoch pravdepodobne najviac rastúce trhy. Čaká nás dlhá cesta technických pokrokov a etických otázok, pokým sa prepracujeme k tlači živých tkanív, či dokonca celých orgánov, ktoré by vedeli nahradiť tie poškodené. Maxilofaciálna chirurgia a ortopédia môžu z 3D technológie profitovať azda najviac a až reálne klinické výstupy overia jej skutočnú hodnotu.

Technológia 3D tlače

Princíp tejto čoraz populárnejšej technológie je založený na tvorbe objektov pridávaním jednotlivých vrstiev materiálu. Tu vidíme rozdiel oproti konvenčným technológiám výroby, ktoré zo surového materiálu vrstvy odoberajú, prípadne produkty jednoducho odlievajú. Proces je programovaný a používajú sa synonymá ako aditívna výroba (AM-additive manufacturing, alebo RP-rapid prototyping). Medzičasom boli vyvinuté nové, sofistikované typy tlačiarní, ktoré dokážu tlačiť s využitím rôznych materiálov (plasty, nylon, striebro, oceľ, titán, keramiku, vosk, fotopolyméry, polykarbonáty až po biologické tkanivá). Takáto forma výroby je súčasťou tretej industriálnej revolúcie a ponúka nám takmer neobmedzené možnosti v akomkoľvek odvetví. V medicíne, je veľkou súčasťou moderného tkanivivého inžinierstva a regeneratívnej medicíny.

Aké sú reálne možnosti využitia 3D tlače v ortopédii a úrazovej chirurgii

Využitie 3D tlačených objektov má veľkú perspektívu najmä v chirurgických odboroch a to vo viacerých oblastiach. Od tlače polymérov, ktoré sú s obľubou využívané vo výučbe, predoperačnom plánovaní komplexných kazuistík, najmä pri deformitách, tumoroch a úrazoch pohybového aparátu, až po čoraz populárnejšiu tlač peroperačne využiteľných cieličov (surgical guides). Tie sú sterilizovateľné, umožňujú priamy kontakt so živým tkanivom a s precíznosťou napomáhajú pri resekciách a osteotómiách, čím podporujú koncept mininvazívnej chirurgie.

3D tlačené plastové modely ako základ pre plánovanie operácii, zákrokov a ich edukačné využitie

Čoraz viac pozorujeme ako zásadne mení pohľad chirurga na problematiku pri plánovaní operačných postupov liečby, konkrétne v predoperačnom plánovaní, najmä v zložitých kazuistikách, kde konvenčné 2D zobrazenia nie sú dostatočné.

Proces výroby spočíva v spracovaní výsledkov konvenčných zobrazovacích techník ako je CT, MR, USG,  ich transformácie do 3D počítačovách objektov a následne do hmatateľných solídnych objektov (tzv. prototypov). Takto vytvorený anatomický model je obvykle z plastu v mierke 1:1. Takéto realistické modely nám umožňujú predoperačné zavedenie rozličných implantátov, testovacie resekcie, osteotómie kostí, korekcie deformít v spinálnej chirurgii, ale aj priame odskúšanie implantátov, vrátane skrutiek, dláh, endoprotéz rôznych tvarov a veľkostí.

Zaujímavé je aj využitie pri predoperačnom plánovaní resekcií tumorov a komplexných, najmä intraartikulárnych zlomeninách (1). V detskej ortopédii prinášajú modely benefit pri napíklad diagnostike patologických stavov bedra a acetabula, Perthesovej choroby, morbus Blount, vrodených deformitách celého skeletu, tumoroch a to najmä vďaka možnosti priamej vizualizácie okolitých štruktúr a ciev (2). Modely reálnych kazuistík sa už aj na Slovensku využívajú pri výučbe študentov medicíny, ale aj lekárov v špecializačnej príprave. Viaceré zahraničné štúdie dokazujú, že vo forme vizuálneho a taktilného vnímania študenti lepšie pochopia patologický proces, mechanizmus úrazu, lepšie klasifikujú a precíznejšie plánujú následný operačný výkon (3).

Prototypovanie individuálnych ortéz a protéz, korzetov

3D tlač individualizovaných ortopedických pomôcok zaznamenáva v posledných rokoch veľký záujem najmä u väčších komerčných spoločností. Mnohé z nich tieto doplnkové služby ponúkajú ku svojim implantátom a iným produktom. Pri použití moderného 3D skenera, sú takmer neobmedzené možnosti využitia z hľadiska funkčnosti, dizajnu a materiálu (poúrazové, pooperačné dlahy alebo skoliotické či poopeačné korzety) sa v niektorých krajinách používajú štandardne a ponúkajú zaujímavú alternatívu ku klasickej sadrovej alebo termoplastovej dlahe. Perspektívne by mohli byť trendom rôzne individuálne vložky do topánok, individuálna ortopedická obuv, až po celé robotické končatiny.

Prototypovanie šablón a cieličov (surgical guides)

Individualizované inštrumenty, a najmä osteotomické cieliče a šablóny rozličných tvarov a použitia, aj keď zatiaľ len vo fáze klinických testovaní sa tešia veľkej obľube operatérov. Sú presne prispôsobené anatomickým pomerom každého pacienta, vyrobené z medicínsky licencovaných materiálov, ktoré sú biokompatibilné, sterilizovateľné a môžu byť priamo použité na operačnom sále, t.j. byť v kontakte s otvorenou ranou bez akýchkoľvek rizík toxicity či prenosu infekcie.

Doposiaľ boli úspešne použité cieliče, pri zavádzaní skrutiek do pediklov, pri osteotómiách klavikuly, femuru, tibie, humeru alebo pri komplexných resekciách tumorov a osteotómiach v oblasti panvy (4). Takisto v súčasnosti prebieha viacero štúdií zameraných na využiteľnosť a presnosť individuálnych cieličov pri celkovej náhrade bedrového a kolenného kĺbu (5). Proces tvorby takýchto individalizovaných pomôcok je v porovnaní s tvorbou anatomických modelov z CT a MR snímok podstatne náročnejší. Vyžaduje si moderné plánovacie programy pre ortopédiu a spoluprácu medicínsky vzdelaných odborníkov v spojení s odborníkmi v technických odboroch.

Individualizované kĺbové a spinálne impantáty, revízne implantáty a osteosyntetický materiál (custom made implants)

Vývoj produktov z kovu, zliatin a iných implantovateľných materiálov je jedna z najperspektívnejších vízii 3D tlače v ortopédii, najmä ak anatomické pomery (stratové poranenia kosti, tumory, revízne operácie) neumožňujú použitie konvenčných implantátov (6). Moderné tlačiarňe pracujú sa materiálmi ako napr. titánové zliatiny (Grade CP1/2, Ti6Al4V ELI), kobalt chróm (CoCrMo, ASTM F75) alebo chirurgická oceľ (316L), pričom mnohé z nich sú v dnešnej dobe komerčne používané a schválené a testované priamo v klinickej praxi. Technologický vývoj tlačiarní, ale aj výskum v oblasti osteointegrácie umožňuje aditívnu výrobu poréznych materiálov najmä s perspektívou využitia v oblasti spongióznych kostí, napr. panva, acetablárne komponenty, celé stavce alebo  interspinálne disky.

Práve porozita umožňuje prerastanie kosti do implantátu, čím zlepšuje ukotvenie, stabilitu a dlhodobú funkčnosť

V blízkej budúcnosti bude neoddeliteľnou súčasťou 3D tlače aj kombinácia spomínaných materiálov s nosičmi liečiv (napr. antibakteriálne povrchy ako striebro, a antibiotiká), napr. pri použití na mieru tlačených a antibiotikom impregnovaných spacerov ako dobrej a lacnej alternatívy v dvofázovej operácii infikovaných endoprotéz. Aj v odvetví implantológie zaznamenávame každoročne nové trendy, čo má nepochybne súvis s hľadaním „optimálneho“ materiálu pre ľudské telo. Podmienkou do budúcna bude, aby bol netoxický, biorezorbovateľný, degradabilný, nealergický, s nízkou bakteriálnou afinitou a dostatočne pevný. Portfólio produktov v ortopédii a úrazovej chirurgie môže byť vďaka nim veľmi široké: od jednoduchých skrutiek (napr. aj vstrebateľných) až po komplexné osteosyntetické riešenia.

V minulosti už boli vyskúšané dlahy tlačené z ocele alebo titánu a momentálne sa problematika upriamuje na 3D tlač materiálu PEEK (polyether ether ketón), ktorý má extrémne vysokú teplotu topenia (343°C), je dostatočne pevný, odolnejší voči škrabancom ako titán či oceľ, chemicky inertný, opakovateľne sterilizovateľný a biokompatabilný. Navyše takýto implantát je röntgentranparentný a umožňuje relatívne veľkú variabilitu, napr. v dizajnovaní dlahovej osteosyntézy alebo pri sponylochirurgických operáciách (7).

Bioprinting – regeneratívna medicína a tkanivové inžinierstvo

Tkanivové inžinierstvo a 3D tlač biodegradabilných materiálov môže v budúcnosti priniesť revolučné zmeny v liečbe pohybového aparátu. Aj keď je zrejmé, že nás čaká nová éra medicíny, sme stále iba na začiatku a cesta ku klinickej aplikácii bude naozaj dlhá. Celá problematika smeruje k možnosti náhrady živých tkanív a dokonca, aj keď to zatiaľ znie futuristicky, tak aj perspektívne celých orgánov. Cieľom tkanivového inžinierstva a regeneratívnej medicíny je izolácia rôznych typov buniek, vrátane nediferencovaných kmeňových buniek a ich následná kultivácia v laboratórnych podmienkach a osadenie na špecifických nosičoch (tzv. skafoldoch). Tie fungujú ako nosné matrice, pričom bunkám neposkytujú iba mechanickú oporu, ale významne ovplyvňujú ich adherenciu a proliferáciu.

V kontexte ortopedickej aplikácie je významný ich vplyv na diferenciáciu na bunky jednotlivých tkaniv pohybového aparátu (8). V súčasnosti sa pri príprave skafoldov využívajú mnohé prírodné a syntetické polymérne látky. Podľa charakteru aplikácie môžu byť pripravené v rôznych formách, napríklad vo forme špongií, vlákien alebo hydrogélov. Špeciálne vyrobené tlačiarne (bioprintery), schopné fungovať aj v sterilných laboratórnych podmienkach dokážu nanášať a umiestňovať bunky do predvolených štruktúr. Biokeramické materiály spomenuté vyšie (napr. hydroxyapatit) sú v súčasnosti preferovaným materiálom na skladbu kosti, či už samotne alebo v rôznych pomeroch s TCA (trikalciumfosfát), a aj tie je možné tlačiť v preddefinovanej porozite. V klinickom použití majú stále svoje limitácie a to najmä krehkosť, kvôli ktorej by na rozdiel od tlačeného titánu nemohli byť použité vo váhonosných častiach tela.

3D tlač v ortopédii – Záver

Aká je teda perspektíva pre našich lekárov a pacientov? Aj keď zhmotňovanie patologických stavov pacienta na podklade CT alebo MR bolo donedávna len predstavou, dnes už je aj v podmienkach slovenského zdravotníctva realitou a možno 3D tlač individuálnych implantátov, či dokonca živých tkanív bude podporené aj na Slovensku natoľko, že dokážeme konkurovať západnému svetu. Jednou z najväčších výhod v 3D tlači a výrobe individuálnych ortopedických implantátov je geometrická sloboda a veľká variabilita materiálov. Medzi našimi kolegami tejto problematike venovaná čoraz väčšia pozornosť a aj keď nemocnice a vzdelávacie inštitúcie budú podobné trendy možno podporovať, je otázne, ako sa u nás k problematike zachovajú regulačné úrady a zdravotné poisťovne.

Experimentálny výskum a vývoj v súčasnosti čoraz viac spomaľujú byrokratické konania, etické normy a finančné limity. Individuálnych implantáty sú síce finančne náročné, ale za úvahu stojí otázka, či výsledná cena pri opakovaných revíznych operáciách s nutnosťou použitia komerčných revíznych implantátov a nerekonštruovateľných defektov kosti nám neponúka ekonomicky efektívnejšie riešenie. V rámci pohybového aparátu bude v blízkej budúcnosti, najperspektívnejšou, problematikou výskum biomateriálov a tkanivové inžinierstvo a predmetom štúdií na najbližšie roky budú logistické procesy výroby, transportu a následnej aplikácie „umelých“ tkanív.

.

Literatúra

• Martelli, N., Serrano, C., Van den Brink, H., et al.: Advantages and disadvantages of 3-dimensional printing in surgery: a systematic review. Surgery. 2016;159(6) s. 1485–1500.
• Starosolski, Z.A., Kan, J.H., Rosenfeld, S.D., Krishnamurthy, R., Annapragada, A.: Application of 3-D printing (rapid prototyping) for creating physical models of pediatric orthopedic disorders. Pediatr Radiol. 2014; 44, s. 216.
• Mulford, Jonathan S., Sina Babazadeh, and Neil Mackay. „Three‐dimensional printing in orthopaedic surgery: review of current and future applications.“ ANZ journal of surgery, 2016, 86, s. 648–653.
• Wong, K.C., Kumta, S.M., Geel, N.V., Demol, J.: One-step reconstruction with a 3D-printed, biomechanically evaluated custom implant after complex pelvic tumor resection. Comput Aided Surg. 2015; 20(1): s.14–23.
• Buller, L., Smith, T., Bryan, J., Klika, A., Barsoum, W., Innotti, J.P.: The use of patient-specific instrumentation improves the accuracy of acetabular component placement. Journal of Arthroplasty, 2013; 28, s. 631–636.
• Baauw, M., van Hellemondt, G.G., van Hooff, M.L., Spruit, M.: The accuracy of positioning of a custom-made implant within a large acetabular defect at revision arthroplasty of the hip. Bone Joint J. 2015; 97-B(6): s.780–785.
• Vaezi, M., Yang, S.: Extrusion-based additive manufacturing of peek for biomedical applications. Virtual Phys. Prototyp. 2015, 10, s. 123–135.
• Bartlett, S.: Printing organs on demand. Lancet Respir Med. 2013;1(9): s. 684.