Protetyka Pomiar cyfrowy, druk na bazie surowców biologicznych

Projekt badawczy NaRo-3D pokazuje, w jaki sposób można produkować trzonki protez w sposób bardziej przyjazny dla klimatu i wydajniejszy. Materiały pochodzenia biologicznego, nadające się do druku 3D, oraz w pełni cyfrowy proces produkcji oddzielają proces pomiarów u pacjenta od samej produkcji, co pozwala czerpać korzyści nie tylko tam, gdzie brakuje wykwalifikowanego personelu.

Według danych organizacji ATscale, powiązanej z WHO, na całym świecie żyje około 65 mln osób po amputacji kończyn. Szacuje się, że co roku do tej liczby dołącza około 1,5 mln osób, z których część przeszła wielokrotne amputacje. Opiekę otrzymuje jedynie niewielka część osób dotkniętych tym problemem. Według danych WHO w krajach o niskim i średnim dochodzie jedynie od 5 do 15 procent osób potrzebujących ma dostęp do odpowiedniej i dobrze dopasowanej protezy. Główną przeszkodą jest tu brak wykwalifikowanego personelu, który często jest dostępny wyłącznie w dużych miastach.

Właśnie w tym miejscu zaczyna się projekt NaRo-3D, w którym uczestniczyły: Instytut Technologii Produkcji i Automatyzacji Fraunhofera (IPA), producent biomateriałów Tecnaro oraz firma ortopedyczna DOI ortho-innovativ. Projekt został sfinansowany przez Federalne Ministerstwo Rolnictwa, Żywienia i Spraw Krajowych (BMLEH) za pośrednictwem agencji projektowej Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (FNR).

Zaawansowane technologicznie biomateriały z drukarki

Firma Tecnaro przetworzyła biopoliolefiny, biopoliestry, biopoliamidy, biotPU oraz pochodne celulozy z różnymi wypełniaczami i dodatkami na kompozyty nadające się do druku 3D. Zgodnie z informacjami producenta materiały te przekonały dobrą płynnością stopu – istotną dla produkcji monofilu w postaci nici – a także parametrami mechanicznymi, które w niektórych przypadkach przewyższały parametry porównywalnych produktów na bazie ropy naftowej. Według informacji z projektu dwa warianty osiągnęły nawet właściwości materiałów o wysokiej wydajności, takich jak tytan czy włókno węglowe.

W testach drukowania przeprowadzonych przez DOI dwa materiały okazały się szczególnie odpowiednie: biopoliester zawierający 78% węgla pochodzenia biologicznego oraz biopoliamid w 100% pochodzenia biologicznego. Według producenta, przezroczyste włókno wykonane z pochodnych celulozy i biopoliestru, zawierające 46% węgla pochodzenia biologicznego, również dobrze nadawało się do produkcji trzonków testowych.

Od obrazowania po druk

Instytut Fraunhofer IPA opracował wirtualną platformę do projektowania trzonów, umożliwiającą cyfrowe projektowanie i produkcję bez przerw w mediach. Wykorzystuje ona techniki obrazowania, takie jak rezonans magnetyczny (MRI), skaner laserowy i ultradźwięki, na podstawie których danych tworzone są modele CAD oraz modele metodą elementów skończonych przedstawiające kikut i trzon. Dzięki metodzie elementów skończonych można określić nośność i komfort w interakcji z kikutem, a także zoptymalizować geometrię i grubość ścianek protezy. Fakt, że oprócz naprężeń objętościowych uwzględniane są również naprężenia ścinające kikuta, stanowi według twórców projektu nowość w dziedzinie protetyki. Również opinie wieloletnich użytkowników protez na temat protez wykonanych z biokompozytów okazały się pozytywne.

Produkcja cyfrowa pozostaje na razie niszową dziedziną

Zamiast wykonywania odlewu gipsowego, a następnie zalewania go żywicami odlewniczymi i wielogodzinnej pracy ręcznej, dane pomiarowe można by teoretycznie przetwarzać na całym świecie, niezależnie od wiedzy specjalistycznej dostępnej na miejscu. Ma to szczególne znaczenie zwłaszcza w regionach, w których brakuje wykwalifikowanych pracowników.

Jednak technologia ta nie jest obecnie zbyt powszechnie stosowana. Według szacunków branżowych w regionie DACH jedynie około 10–20% zakładów ortopedycznych działa przynajmniej częściowo w trybie cyfrowym; mniej niż 5% protez jest faktycznie drukowanych w 3D. Według własnych informacji rząd federalny nie dysponuje wiarygodnymi danymi statystycznymi dotyczącymi zaopatrzenia. Za czynniki hamujące uznaje się nie tylko wymogi regulacyjne wynikające z prawa dotyczącego wyrobów medycznych oraz zwiększone potrzeby inwestycyjne związane ze skanerami, oprogramowaniem i drukarkami, ale także dotychczas niejasne struktury rozliczeniowe.

Znaczenie dla opieki zdrowotnej na globalnym Południu

„Z wynikami projektu wiążemy między innymi nadzieję, że dzięki zoptymalizowanym rozwiązaniom cyfrowym uda nam się poprawić opiekę ortopedyczną w wielu krajach” – mówi Karl-Heinz Trebbin, mistrz techniki ortopedycznej i dyrektor zarządzający DOI. On sam posiada wieloletnie doświadczenie w opiece nad pacjentami po amputacjach w Ameryce Południowej, Afryce i Azji. Metody cyfrowe nie powinny jednak „zastępować wiedzy ortopedycznej, lecz sensownie ją uzupełniać”. W idealnym przypadku pozostaje więcej czasu na indywidualną opiekę nad pacjentem.

Instytut Fraunhofer IPA zamierza udostępnić swoją wirtualną platformę pomiarową użytkownikom, takim jak sklepy z artykułami medycznymi i zakłady ortopedyczne. „Ponieważ korzystanie z platformy wymaga obecnie jeszcze specjalistycznej wiedzy programistycznej, wspieramy sklepy medyczne poprzez ukierunkowane projekty pilotażowe, które pomagają im z powodzeniem wdrożyć innowacyjne, cyfrowe rozwiązania do ich wewnętrznych procesów” – podkreśla kierownik projektu, dr inż. Okan Avci z Fraunhofer IPA.

Z kolei firma Tecnaro zamierza szybko przyspieszyć wprowadzenie na rynek nowych materiałów kompozytowych i nie skupia się przy tym wyłącznie na zastosowaniach ortetycznych i protetycznych w druku 3D. Firma planuje ponadto oferować gotowe produkty formowane wtryskowo, charakteryzujące się wysoką odpornością na odkształcenia termiczne i udarnością, przeznaczone dla innych branż. Monofilamenty mają być wkrótce dostępne za pośrednictwem partnera handlowego Albis Distribution. Raport końcowy z projektu można znaleźć na stronie internetowej Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR).

Artykuł ten ukazał się po raz pierwszy na naszym portalu partnerskim www.healthcare-digital.de.