Tıpta, Mühendislikte ve Günlük Hayatta 3D Baskı

Tıpta 3D Baskı

3D baskının tıp alanındaki öncülerinin diş hekimleri olduğu düşünülmektedir. Çünkü 3D yazıcılar, diş implantları üretmek için son derece pratik bir araçtır. Günümüzde ise doktorlar, 3D baskı ile iskelet kemikleri, kişiye özel cerrahi aletler ve hastaya özel ilaç formları üretme konusunda deneyler yapmaktadır. 3D organ modelleri, ameliyatlara hazırlık ve tıp öğrencilerinin eğitimi için kullanılır. Üstelik bir organ modeli, belirli bir hastalığın neden olduğu değişiklikleri içerecek şekilde basılabilir.

Tıpta 3D baskının kullanımını yaygınlaştıran en önemli gelişmelerden biri, 3D yazıcıların 3D tarayıcılar, ultrason, röntgen ve MR tarayıcıları ile entegre edilmesi oldu. Bu teknolojilerin birleşimi, sunulan çözümlerin maliyetlerini önemli ölçüde düşürdü.

Yapay Dişler Ağrımaz

Diş hekimliğinde 3D baskının öncüsü muhtemelen Align Technology şirketidir. 1990’lı yıllarda bu şirket, 3D yazıcılarla diş plakları (şeffaf apareyler) üreterek dişlerin hizalanmasını sağlamış, aynı zamanda boksörler gibi diş korumasına ihtiyaç duyanlar için özel kaplamalar geliştirmiştir. Ayrıca, Align Technology geleneksel diş tellerine alternatif olarak braket yerine geçen "aligner" sistemlerini geliştiren başlıca firmalardan biri olmuştur. Bu sistem, daha az fark edilir ve hastalar için daha konforlu bir çözüm sunmaktadır.

İlk 3D baskılı diş implantı 2012 yılında Layer Wise şirketi tarafından üretildi. Aynı yıl, bir hastaya 3D yazıcıda basılmış titanyum alt çene kemiği başarıyla nakledildi. Günümüzde hem plastik hem de metal bazlı 3D baskı teknikleri oldukça gelişmiş durumda, ancak bu teknikler farklı yazıcı türlerinde uygulanmakta ve farklı kullanım alanlarına sahiptir.

Bir asır önce metal protezler ("altın dişler"), diş hekimliği sanatının zirvesi olarak görülüyordu. Ancak günümüzde metal 3D baskı, diş protezlerinin diş etinin üzerinde kalan dış bölümlerinde estetik kaygılar nedeniyle tercih edilmemektedir. Bunun yerine, diş dolgularında kullanılan özel polimerlere benzer özelleştirilmiş polimerlerden 3D baskı yapılması sayesinde, doğal dişlerle birebir uyumlu protezler üretilebilmektedir. Bu protezler, hem renk hem de şekil açısından gerçek dişlerden ayırt edilemez hale gelmiştir.

Diş protezlerinin ve onların bireysel parçalarının üretimi birçok klinikte seri hale getirilmiştir. Modern intraoral tarayıcı, yarım saat içinde tüm diş dizisinin üç boyutlu modelini içeren bir CAD dosyası oluşturmayı mümkün kılmaktadır. Daha sonra bilgisayar üzerinde, yazıcının otomatik olarak basacağı gelecekteki protezin 3D modelleri oluşturulmaktadır: Hastaların toplu olarak kabul edildiği durumlarda, 3D ekipmanlarının yüksek maliyeti, sağlık çalışanlarının çalışma süresinden tasarruf edilmesiyle telafi edilmektedir. Örneğin, 3D yazıcıda basılmış anatomik protezlerin cerrahi müdahalelerde kullanımı, her hasta başına ortalama 62 dakika tasarruf sağladığını (veya zaman tasarrufu nedeniyle 3720 ABD doları değerinde maliyet avantajı sağladığını) göstermiştir! Genellikle, daha düşük üretim maliyetleri, kliniklerin hizmet ücretlerini geleneksel yöntemlerle, yani mum kalıplar kullanılarak manuel olarak üretilen protezlere kıyasla daha düşük seviyelere çekmesine olanak tanımaktadır.

Diş dizisinin 3D modellemesi, aynı zamanda diş cerrahisi sırasında kullanılan cerrahi şablonların oluşturulmasında da kullanılmaktadır. Bu şablonlar, cerrahi aletlerin ve implantların hassas bir şekilde konumlandırılmasını sağlamak için hayati öneme sahiptir. Plastikten üretilen bu şablonlar, komplikasyon riskini en aza indirirken aynı zamanda ortalama 23 dakika (veya 1488 ABD doları) operasyon süresinden tasarruf edilmesini sağlamaktadır. Bu önemli bir ekonomik avantajdır, özellikle yüksek yaşam standartlarına sahip ülkelerde, ameliyathanelerde geçen her dakikanın ortalama 60 ABD doları (20 ila 130 dolar arasında değişebilir) maliyet oluşturduğu göz önünde bulundurulduğunda. Bunun yanı sıra, hastaların anestezi altında geçirdiği sürenin de azalmasını sağlamaktadır.

Polimer İmplantlar Yaşam Kalitesini Artırıyor

Geleneksel uzuv protezleri, plastik ve kauçuk ek parçalar içeren metal malzemelerden veya karbon fiber ve cam kompozitlerden üretilmektedir. Bu tür protezlerin üretim maliyeti binlerce dolara ulaşabilir. Bu nedenle, yoksul ülkelerde yaşayan bireyler için bu protezler genellikle ulaşılmazdır. Devlet destek programlarına rağmen, engelli bireyler için bu protezlerin erişilebilirliği hala yeterli seviyede değildir.

Bu soruna çözüm olarak, 3D yazıcılarla plastik ve metal bileşenlerden üretilen protez parçalarının üretimi yaygınlaşmaya başlamıştır.

Polimer implantların 3D baskı teknolojisi ile üretilmesi, tıp endüstrisinde önemli bir trend haline gelmiştir. Bu yöntem, her hastanın anatomik yapısına tam olarak uyum sağlayan, yüksek hassasiyetli ve kişiye özel implantlar üretmeye olanak tanımaktadır. Bu dönüşümün bazı önemli örneklerine göz atalım:

1. Kişiye Özel Kafatası İmplantlarının Üretimi

Kafa travmaları veya doğuştan gelen kafatası kusurlarına sahip hastalar, kemik bütünlüğünü yeniden sağlamak için kişiye özel implantlara ihtiyaç duyar. Geleneksel olarak, bu tür implantlar titanyum plakalar kullanılarak manuel olarak üretiliyordu, ancak bu süreç oldukça zahmetli ve zaman alıcıydı. 3D baskının ortaya çıkmasıyla, hastanın BT (Bilgisayarlı Tomografi) taramalarına dayalı olarak hassas polimer implantlar üretmek mümkün hale geldi.

2. Omurlar Arası Kafeslerin (Intervertebral Cage) Üretimi

Omurlar arası kafesler (intervertebral cage), fıtık veya tümör ameliyatları sonrasında omurgayı stabilize etmek için kullanılır. Geleneksel metal kafeslerin şekil ve boyut açısından sınırlamaları vardır, bu da cerrahi sırasında doğru yerleştirme sürecini zorlaştırır. 3D baskı teknolojisi sayesinde, biyobozunur polimerlerden üretilen kişiye özel kafesler geliştirilmektedir. Bu kafesler, zamanla vücut tarafından yeniden oluşturulan kemik dokusuyla doğal olarak yer değiştirebilmektedir.

3. Çene ve Yüz Cerrahisi İçin İmplantların Üretimi

Çene ve yüz cerrahisi, implantların son derece hassas bir şekilde yerleştirilmesini gerektirir. Çünkü en küçük sapmalar bile ciddi estetik ve fonksiyonel sorunlara yol açabilir. 3D baskı, biyouyumlu polimerlerden (PLA - polilaktid veya PCL - polikaprolakton gibi) kişiye özel implantlar üretmeyi mümkün kılmaktadır.

4. Eklem Protezleri

Diz veya kalça gibi hasar görmüş eklemlerin değiştirilmesi, implantın boyut ve şeklinin hastaya tam uyum sağlayacak şekilde seçilmesini gerektirir. 3D baskı teknolojisi, bu süreci daha verimli ve erişilebilir hale getirmiştir.

Kaynak: https://additiv-tech.ru/publications/additivnye-tehnologii-v-medicine-kak-snizit-riski-dlya-zdorovya-pacientov.html

5. Rekonstrüktif Cerrahi

Laktik asit ve glikolik asit kopolimeri bazlı polimer kompozit malzemeler, belirli bir esneklik seviyesine sahip yapılar üretmek için kullanılabilir. Bu polimer bazlı implantlar, zamanla vücutta tamamen ve güvenli bir şekilde sağlıklı doku ile yer değiştirebilir. Bu özellik, özellikle rekonstrüktif cerrahide dış kıkırdak dokusunun plastik olarak yeniden yapılandırılmasında büyük önem taşımaktadır.

Kalıcı kemik protezleri üretiminde genellikle titanyum kullanılmaktadır. Ancak bu mükemmel bir çözüm değildir, çünkü bazı durumlarda vücut metali reddedebilir ve bu tür protezlerin üretimi oldukça maliyetlidir. Johns Hopkins Üniversitesi'nden bir araştırma ekibi, 3D baskıya uygun ve doğal kemik dokusunun büyümesi için gerekli organik yapıya sahip kemik-polimer kompozitler üzerinde deneyler yapmaktadır. Bu malzemenin sentetik bileşeni, düşük erime sıcaklığına sahip biyobozunur bir polyester olan polikaprolaktondur (PCL). Dayanıklı bir yapıya sahip olsa da tek başına kemik dokusunun yenilenmesini teşvik etmez. Bu nedenle araştırmacılar, kemiklerin ana mineral bileşeni olan hidroksiapatit katkıları kullanmaktadır. Bu malzemenin özellikleri, hastanın iyileşme süreci boyunca zamanla vücut tarafından tamamen emilerek doğal doku ile yer değiştirecek şekilde tasarlanmaktadır.

Polimer bazlı implantların 3D baskı ile üretilmesine yönelik başarılı uygulamalar, bu teknolojinin geniş olanaklarını gözler önüne sermektedir. 3D baskı, her hastanın anatomik yapısına mükemmel uyum sağlayan, son derece hassas ve kişiye özel implantlar üretmeyi mümkün kılmaktadır. Bu sadece tedavi sonuçlarını iyileştirmekle kalmaz, aynı zamanda üretim maliyetlerini ve sağlık kuruluşlarının operasyonel giderlerini de önemli ölçüde azaltmaktadır.

Ekonomik Olarak Verimli Bir Çözüm

Polimerlerden üretilen implantlar ve protezler için 3D baskının kullanımı, maliyet açısından önemli avantajlar sunmaktadır.

1. Malzeme Maliyetlerinin Azaltılması

Atıkların en aza indirilmesi: 3D yazıcılar, yalnızca belirli protez parçalarının üretimi için gerekli olan malzeme miktarını kullanır. Bu sayede geleneksel üretim yöntemlerinde olduğu gibi pahalı polimerlerin boşa gitmesi önlenir.

Pahalı üretim ekipmanlarına ihtiyaç duyulmaması: 3D baskı, özel kalıplar, presler veya pahalı aletler gerektirmez. Bu da ilk yatırım maliyetlerini ve sürekli operasyonel giderleri önemli ölçüde azaltır.

2. Üretim Hızının Artırılması

Hızlı üretim süreci: 3D baskı sayesinde bir uzuv protezi saatler içinde üretilebilir, oysa geleneksel yöntemlerle bu süreç günler hatta haftalar sürebilir. Bu, hastalara daha hızlı teslimat sağlarken, üretici için de müşteri memnuniyetini ve marka itibarını artırır.

Bekleme süresinin azalması: Hastalar protezlerini daha kısa sürede alabildiğinden, uzun bekleme sürecine bağlı rahatsızlıklar ve olası tıbbi komplikasyonlar önlenir.

3. Artan Hassasiyet ve Bireysel İhtiyaçlara Uygunluk

Kişiye özel üretim: Her protez, hastanın benzersiz anatomik yapısına uygun olarak üretilebilir, bu da mükemmel uyum ve fonksiyonellik sağlar. Bu sayede konfor ve hareketlilikle ilgili sorunların önüne geçilir, ek ayarlama veya düzeltme ihtiyacını azaltarak ekstra maliyetleri düşürür.

Daha düşük iade ve revizyon riski: 3D modelleme hassasiyeti ve sanal test imkanı, hatalı üretim ihtimalini en aza indirir. Bu da protezlerin yeniden üretilmesi gereksinimini azaltarak zamandan ve maliyetten tasarruf sağlar.

4. Ürün Yelpazesinin Genişlemesi ve Fonksiyonellik Artışı

Karmaşık tasarımlar üretme imkanı: 3D yazıcılar, geleneksel yöntemlerle üretimi zor veya imkansız olan karmaşık geometrik şekilleri oluşturabilir. Bu, daha hafif, daha dayanıklı ve esnek protezlerin üretilmesini sağlar.

Elektronik ve sensör entegrasyonu: Günümüz 3D baskı teknolojileri, protezlerin içine elektronik bileşenleri ve sensörleri entegre etme imkanı sunar. Bu sayede, kullanıcı ile cihaz arasındaki etkileşim geliştirilir ve fonksiyonel özellikler artırılır.

5. İşgücü Maliyetlerinden Tasarruf

Otomasyonun sağlanması: 3D baskı, üretim sürecini büyük ölçüde otomatikleştirir, nitelikli el işçiliğine olan bağımlılığı azaltır. Bu da iş gücü maliyetlerini ve personel eğitim giderlerini düşürür.

Lojistik süreçlerin sadeleşmesi: 3D yazıcılar, protezlerin doğrudan üretim noktasında üretilmesine olanak tanır, böylece yarı mamul veya hazır ürünlerin taşınmasına gerek kalmaz. Bu da lojistik maliyetleri önemli ölçüde azaltır.

3D baskının ekonomik verimliliğindeki en önemli faktörlerden biri, sağlık çalışanlarının çalışma süresinin azaltılmasıdır. Son 10–20 yılda, önde gelen tıp fakültelerinin müfredatına 3D modelleme dahil edilmiştir. Bu eğitim sayesinde diş hekimleri, ortopedistler ve diğer uzmanlar, diş kronları, eklem protezleri ve diğer kişiye özel medikal bileşenleri manuel yöntemlere kıyasla çok daha hızlı bir şekilde 3D yazıcılarla üretebilmektedir. 2024 yılında ABD’de bir diş hekiminin günlük ortalama maaşı 800 ila 1500 dolar, bir ortopedistin maaşı 1500 ila 3000 dolar, bir cerrahın maaşı ise 2000 ila 4000 dolar arasında değişmektedir. Bu rakamlar, 3D baskı teknolojisinin her hasta için tedavi süresini birkaç saat, hatta bazen günlerce kısaltarak sağladığı muazzam maliyet tasarrufunu açıkça göstermektedir.

2000’li yılların başlarında, 3D yazıcıların tıbbi alandaki kullanımı deneysel bir yöntem olarak kabul ediliyordu. O dönemde en iyi modeller bile yeterli hassasiyete sahip olmasına rağmen, bu teknolojinin tıp pratiğinde yaygınlaşması iki temel sorun nedeniyle gecikti.

İlk olarak, bu yazıcılar mühendislik uygulamaları için tasarlanmıştı ve dişli, rulman gibi mekanik bileşenlerin üretimine uygun malzemeler kullanıyordu. Her ne kadar tıp dünyasında 1950’lerden itibaren polimer bazlı implantların kullanımı yaygınlaşmış olsa da, ilk nesil 3D yazıcılar tamamen farklı polimer türleriyle çalışıyordu ve bu malzemelerin biyouyumluluğu göz önünde bulundurulmamıştı.

İkinci ve daha ciddi sorun, CAD dosyalarının yani üç boyutlu modellerin oluşturulması için gerekli olan hassas 3D tarayıcıların ulaşılabilir olmamasıydı. 3D yazıcının çalışma prensibi oldukça basittir: baskı kafası, tıpkı bir standart yazıcı gibi koordinat düzleminde hareket eder ve her katman tamamlandığında yükseklik boyunca bir adım (bir piksel) yukarı kaydırılır. Bu süreci yönetmek için basit bir algoritmaya sahip düşük donanımlı bir bilgisayar bile yeterli olabilir. Ancak 3D tarayıcıların çalışma prensibi tamamen farklıdır. Örneğin, bir insanın diş dizisi gibi karmaşık bir nesnenin üç boyutlu modelini oluşturmak, hareketli bir dijital kameradan alınan çok sayıda görüntünün işlenmesini gerektirir. Bu işlemi gerçekleştirmek için büyük ölçekli hesaplamalar yapabilen güçlü algoritmalara ihtiyaç vardır. Windows 98 döneminin bilgisayarları, bu modelleri istenilen hassasiyetle oluşturacak yeterliliğe sahip değildi, özellikle de gerçek zamanlı olarak bir doktor muayenesi sırasında bu işlemi gerçekleştirmek imkansızdı.

Her iki temel sorun, 2010–2015 yılları arasında kademeli olarak çözüldü, ancak yalnızca özel olarak geliştirilmiş yazıcı ve tarayıcı modellerinde. Bu cihazlar, ev tipi 3D yazıcılara kıyasla çok daha pahalıdır. Biyouyumlu polimerlerden (örneğin PEEK - polietereterketon) hassas 3D baskı yapabilen, sertifikalı tıbbi ekipman ve yazılım setinin maliyeti, birkaç binek otomobile eşdeğer olabilir.

Günümüzde 3D baskı, farklı tıp alanlarında yaygın olarak kullanılmaktadır ve her zaman biyouyumlu malzemeler veya mikron seviyesinde hassasiyet gerektiren uygulamalar için kullanılmasına gerek yoktur. Örneğin, düşük maliyetli FDM tipi 3D yazıcılarla (bu tür yazıcılara ilerleyen bölümlerde değineceğiz) özelleştirilmiş cerrahi aletler üretmek mümkündür. Bu aletler, belirli ameliyatlara özel olarak tasarlanarak cerrahi müdahaleleri kolaylaştırmaktadır. Ayrıca FDM yazıcılar, doktorların ameliyatlara hazırlanmasını ve tıp öğrencilerinin eğitimini desteklemek için plastik organ modelleri üretmek için de kullanılmaktadır. Bu tür organ modelleri, hastanın geçirdiği hastalığa bağlı olarak organın yapısındaki değişiklikleri yansıtacak şekilde özelleştirilebilir. Böylece cerrahların operasyon öncesi daha iyi planlama yapmasını sağlar.

Uluslararası E-NABLE topluluğu, dünya çapında mühendisleri, tıp uzmanlarını ve bilişim uzmanlarını bir araya getirerek, engelli bireyler için, özellikle de çocuklar için 3D baskılı protez ve ortopedik cihaz modelleri geliştirip bunları internet üzerinden ücretsiz olarak paylaşmaktadır. E-NABLE’ın temel amacı, güvenilir ve işlevsel protez tasarımlarını kamuya açık hale getirerek engelli bireylerin yaşam kalitesini artırmaktır. Bu protezler, kolayca 3D yazıcıyla üretilebilmekte ve her hastanın ihtiyacına göre uyarlanabilmektedir. E-NABLE projesi, açık kaynak yazılım prensibini benimseyerek, isteyen herkesin projeye katkıda bulunmasına ve bu küresel iyilik hareketine dahil olmasına olanak tanımaktadır. Böylece protezlerin maliyetinin büyük bir kısmı yalnızca baskıda kullanılan plastiğe dayanmaktadır. Genellikle bu maliyet 50 ila 100 doları geçmemektedir.