Trójwymiarowa precyzja otwiera nowe możliwości

Stworzenie sztucznej struktury naśladującej funkcje będące wynikiem ewolucji człowieka - mocnej i elastycznej jak tkanka biologiczna oraz stabilnej i niezużywającej się mimo upływu czasu - brzmi to jak problem nie do rozwiązania. A jednak właśnie taki jest implant międzytrzonowy odcinka lędźwiowego firmy B. Braun, który produkowany jest z wykorzystaniem tylko jednego materiału – tytanu – znanego ze swojej biokompatybilności, odporności na korozję i stabilności. Dzięki precyzyjnemu kształtowi oraz harmonijnej strukturze siatkowej implant ten jest jedną z najskuteczniejszych dostępnych protez.

Uzyskanie wspomnianych właściwości jest możliwe dzięki wytwarzaniu przyrostowemu, powszechnie znanemu jako druk 3D. W tym przypadku cienką warstwę proszku tytanowego nakłada się na płytę na linii produkcyjnej, a następnie laser topi ją z mikrometryczną precyzją w zaprogramowanych punktach, tworząc trójwymiarowy kształt. Obiekt tworzony jest warstwa po warstwie, z materiału AESCULAP® Structan®, który ma dokładnie takie same wymagania dotyczące struktury i powierzchni, jakie zostały określone w licznych testach medycznych i biomechanicznych.

Więcej niż tylko pudełko

Doktor Frank Kandziora dokładnie wie, jak produkcja addytywna może wpłynąć na samopoczucie pacjentów. Kierownik Centrum Chirurgii Kręgosłupa i Neurotraumatologii uznawany jest za jednego z czołowych ekspertów na świecie, który jako jeden z pierwszych chirurgów zastosował w 2020 roku implant firmy B. Braun wydrukowany w technologii 3D.

„To klatka lub jak kto woli, małe metalowe pudełko” – powiedział dr Kandziora. „Ale kryje się w nim ogromna ilość wiedzy”. W rezultacie – kontynuował – jakości implantu nie można sprowadzać do jego indywidualnych parametrów, a raczej zależy ona od złożonego połączenia materiału, powierzchni, struktury, geometrii i biomechaniki – czyli wszystkich właściwości, które mają decydujący wpływ na to, jak implant jest wytwarzany.

Kolejna szansa dla kręgosłupa

Implantem zastosowanym przez dr. Kandziorę jest AESCULAP® TSPACE® 3D firmy B. Braun. Służy on do stabilizacji odcinka lędźwiowego kręgosłupa. Operacja ta jest konieczna, gdy jeden lub więcej dysków ulega takiemu zwyrodnieniu, że nie są  już w stanie stabilizować i amortyzować kręgosłupa. W konsekwencji wspomnianego zwyrodnienia kręgosłup zaczyna się ślizgać, wywierając nacisk na nerwy i powodując u pacjentów ogromny ból. „Staramy się wyeliminować tę niestabilność, stosując tego rodzaju klatkę jako ortezę” – wyjaśnia dr Kandziora, opisując procedurę. To, jak szybko i w jakim stopniu zagoi się implant wraz z sąsiednimi kręgami, ma kluczowe znaczenie dla powodzenia zabiegu.

„Główną zaletą implantów drukowanych w technologii 3D jest to, że mają udoskonaloną strukturę, która pozwala kościom przylegać szybciej i lepiej” – mówi dr Kandziora. „To widać wyraźnie”. Osiągnięcie tej struktury jest możliwe dzięki wytwarzaniu przyrostowemu, ponieważ laser pozwala uzyskać niemal dowolny trójwymiarowy kształt. W środku implantu znajduje się wnęka, przez którą kości mogą dalej rosnąć. „Wielkość otworów, ich konfiguracja oraz sztywność całego implantu, są ważne, aby zapewnić kościom miejsce na niezbędne, drobne ruchy i pobudzić proces gojenia” – mówi dr Kandziora. Podstawowa konstrukcja również nie jest przypadkowa. „Kształt pudełka zapewnia kościom większą powierzchnię podparcia, co zapobiega przecinaniu górnej i dolnej blaszki granicznej trzonu kręgu”. Zmniejsza to ryzyko zapadnięcia się implantu w kręgi, co mogłoby zagrozić prawidłowemu funkcjonowaniu i stabilności kręgosłupa.

Nie tylko makrostruktura odgrywa istotną rolę, kluczowa jest również powierzchnia implantu. „Implanty w większości wykonane z tworzywa PEEK (polieteroeteroketon), były stosowane przez lata” – mówi dr Kandziora. „Ich powierzchnia jest zbyt gładka, przez co kości nie goją się prawidłowo”. Natomiast implant wydrukowany w technologii 3D ma porowatą powierzchnię, idealną do stworzenia warunków potrzebnych do przylegania komórek kostnych. „Wielu pacjentów po dwóch tygodniach nie potrzebuje nawet leków przeciwbólowych. Po trzech miesiącach większość z nich czuje się na tyle dobrze, że może wrócić do normalnego życia” –  twierdzi dr Kandziora, wypowiadając się na temat TSPACE®.

Produkty ortopedyczne to dopiero początek

Sukces kliniczny osiągnięty dzięki implantom drukowanym w technologii 3D jest tak imponujący, że B. Braun ma obecnie swój zespół badawczo-rozwojowy ds. innowacyjnych materiałów i technologii, który pracuje nad nowymi udoskonaleniami procesu wytwarzania przyrostowego, mogącymi zasadniczo zmienić sposób, w jaki firma opracowuje, produkuje i pracuje z niektórymi implantami produkowanymi w tym sektorze.

Celem B. Braun jest identyfikacja innych produktów, w których można znaleźć zalety takie jak w wydrukowanych w technologii 3D implantach międzytrzonowych kręgosłupa i panewki stawu biodrowego. „Dzięki wytwarzaniu przyrostowemu możemy tworzyć innowacyjne produkty, których nie można uzyskać w żaden inny sposób i oferować naszym klientom wartość dodaną. To ogromny przywilej, móc pracować z tak cenną technologią” – powiedziała Patricia Graf, która od 2017 roku kieruje zespołem badawczo-rozwojowym ds. innowacyjnych materiałów i technologii w firmie B. Braun. Można jeszcze lepiej spełniać wymagania klientów i przetwarzać niekonwencjonalne rozwiązania wydajniej. To pomysł, który również dr Kandziora uważa za fascynujący: „Fantastyczną rzeczą w tej technologii jest to, że w wyniku ustandaryzowanego procesu można uzyskać niemal jedyny w swoim rodzaju produkt” – powiedziała. „W przyszłości każdy pacjent będzie mógł otrzymać własny, spersonalizowany implant”. B. Braun produkuje już implanty w nietypowych rozmiarach dla pacjentów, u których standardowe rozwiązanie nie sprawdzi się, ze względu na ich wymagania anatomiczne.

Patricia Graf widzi także duży potencjał w wykorzystaniu zalet wytwarzania przyrostowego w produkcji narzędzi chirurgicznych. „Te instrumenty zwykle trzeba trzymać w dłoni” – powiedziała Graf. Im są lżejsze i smuklejsze, tym łatwiej jest się nimi posługiwać i tym lepsza widoczność pola operacyjnego.

Nowa integracja pionowa

Produkcja addytywna nie tylko gwarantuje spore korzyści samym produktom – zmienia także podstawowe procedury w firmie. Podczas produkcji implantów drukowanych w technologii 3D B. Braun kontroluje cały proces. Jest to integracja pionowa, która nie tylko uodparnia produkcję na czynniki zewnętrzne, ale także umożliwia sprawne zintegrowanie jej z procesami firmowymi. Zanim złożone wyroby medyczne, takie jak implanty, będą mogły zostać wydrukowane za pomocą drukarki 3D, muszą przejść szereg etapów: od opracowania do projektu, poprzez długie testy biomechaniczne i badania kliniczne. Nawet po zakończeniu procesu drukowania należy je oczyścić i wykończyć w czasochłonnym procesie. „Ponieważ posiadamy wszystkie te możliwości, proces ten oferuje nowe szanse” – powiedziała Graf. Produkcja addytywna nie ogranicza się oczywiście tylko do wyrobów medycznych. „Wykorzystujemy tę technologię również do tworzenia oprzyrządowania do produkcji. Zastanawiamy się, jakie części zamienne moglibyśmy w przyszłości wyprodukować do naszych maszyn” – powiedziała Graf.

Zrównoważony rozwój poprzez innowacje

Wytwarzanie przyrostowe może również sprawić, że produkcja będzie znacznie bardziej zrównoważona. Wyrób można nie tylko wytworzyć na miejscu w jednym kawałku, co eliminuje konieczność transportu półfabrykatów, ale wspomniana technologia jest również znacznie wydajniejsza pod względem materiałowym. Wyroby wykonywane z litego materiału, można wydrukować w technologii 3D, która zużywa niewiele więcej materiału, niż wymaga tego produkt końcowy. Pozostały proszek tytanowy może zostać przesiany i ponownie wykorzystywany.

Jednak produkcja addytywna kształtuje firmę, również w innym, ważniejszym obszarze. „Opracowywanie nowych produktów i wdrażanie ich do produkcji wymaga pracy zespołowej” – powiedziała Graf. „Wytwarzanie przyrostowe to technologia, która naprawdę ekscytuje wszystkich” – dodała. „Myślę, że mam szczęście, że mogę pracować z ludźmi z takim zaangażowaniem i entuzjazmem, którzy chcą wyciągnąć z tego jak najwięcej".