3D-tulostus lisääntyy myös lääketieteessä: ”Ihmiset uskovat nyt sen mahdollisuuksiin”

11.08.2016 12:26 | Tuukka Hämäläinen | 61

Wake Forest

Teollisuudessa jo 1980-luvulla syntynyttä 3D-tulostusta hyödynnetään nykyään myös lääketieteessä. Kehitystä kuitenkin jarruttavat piilokustannukset, lupamenettelyt ja konservatiivisuus uusien ratkaisujen suhteen.

Vielä muutama vuosi sitten moni ei ollut kuullutkaan 3D-tulostuksesta, mutta nyt tekniikka on jo ainakin kokeilumielessä jokaisen kuluttajan saatavilla. Suomessakin toimii useita 3D-tulostuspalveluja tarjoavia yrityksiä, ja maassamme myös valmistetaan 3D-tulostimia.

Jotkut kirjastotkin ovat avanneet oman 3D-tulostuspalvelunsa. Heinäkuussa Muropaketti vieraili Helsingin Kaupunkiverstaalla testaamassa tekniikkaa käytännössä.

3D-tulostuksella tarkoitetaan kirjaimellisesti tekniikkaa, joka tulostaa digitaalisesta mallista kolmiulotteisen esineen. Materiaaleina voidaan käyttää muun muassa muovia, metallia, keraamia tai komposiittimateriaaleja.

Viime vuodesta lähtien Helsingissä toimineen tulostuspalvelu 3D Creatoryn mukaan yleisimmät tulostustyöt vaihtelevat prototyypeistä pienoismalleihin. Yrityksen perustajan Oliver Belfragen mukaan asiakaskunta koostuu tasapuolisesti yrityksistä ja yksityishenkilöistä.

– Suhtautuminen 3D-tulostukseen on muuttunut siten, että ihmiset uskovat nyt 3D-tulostuksen mahdollisuuksiin. ”Ehkä sen voisi tulostaa?” -ajattelutapa on siis yleistynyt huomattavasti.

3D

Aalto-yliopisto tutkimuksen kärjessä

3D-tulostusta ei kehitetä vain maailmalla, vaan tekniikan sovelluksia tutkitaan aktiivisesti Espoossa Aalto-yliopiston Konetekniikan laitoksella. Tutkimuspäällikkö Jukka Tuomi kertoo, että Aallossa tehty tutkimus jaetaan teollisten ja lääketieteellisten sovellusten tutkimukseen.

– Teollisuuden sovellukset jakautuvat kolmeen ryhmään, jotka ovat prototyypit, työvälineet ja tuotantosovellukset.

– Aallossa yksi iso tutkimusalue on teollisen internetin yhdistäminen 3D-tulostukseen tuotantomenetelmänä. Käytännössä se tarkoittaa sitä, että tuotteet, joita on totuttu käsittelemään suursarja- tai massatuotantotuotteina, tulevat muuttumaan tuoteyksilöiksi. Tällöin tuoteyksilöitä pystytään seuraamaan sekä tuotannossa että tuotteen koko elinkaaren aikana. 3D-tulostus tuo tähän kokonaan uusia sovelluksia ja lisäarvoa, sillä 3D-tulostus mahdollistaa erinomaisesti tuotteiden yksilöllisen räätälöinnin.

3D-tulostusta alettiin soveltaa teollisuudessa jo 1980-luvulla, mutta lääketieteeseen tekniikka löysi tiensä Tuomen mukaan kymmenisen vuotta sitten.

– Aalto-yliopistossa 3D-tulostuksen lääketieteen sovelluksia alettiin tutkia hiukan alle kymmenen vuotta sitten. Suunnilleen yhtä kauan olemme tehneet yhteistyötä HYKS:n ja HUS:n kanssa, joissa meillä on puolen tusinaa lääkäriä yhteistyökumppaneina.

– Ensimmäisenä 3D-tulostuksen sovelluksena otettiin lääketieteessä käyttöön niin sanotut lääketieteelliset mallit.

3D_Printed_Macrognathism

Lääketieteen sovellusten viisi aluetta

Tuomen mukaan 3D-tulostuksen lääketieteelliset sovellukset jakautuvat viiteen alueeseen, joita kaikkia tutkitaan Aalto-yliopistossa melko tasapuolisesti. Kyseessä on tieteellisessä yhteisössäkin nuori luokittelu, joka ei ole vielä vakiintunut.

3D-tulostuksen lääketieteen sovellusten yleisimmän alueen muodostavat hoidon suunnitteluun ja seurantaan käytetyt lääketieteelliset mallit.

– 3D-tulostetut lääketieteelliset mallit ovat tyypillisesti esimerkiksi sairauden ja vammojen hoidossa käytettyjä luustomalleja. Kovakudoksista eli käytännössä luustosta tehdään mallikappaleita, joita käytetään hoidon, sekä mahdollisesti implanttien ja leikkausten suunnittelussa.

Tuomen mukaan juuri lääketieteelliset mallit ovat tällä hetkellä yleisimmin käytössä olevia 3D-tulostuksen sovelluksia lääketieteessä. Niiden lisäksi on kuitenkin paljon muita sovelluksia.

– Toinen alue ovat niin sanotut inertit implantit, joilla tarkoitetaan tyypillisesti titaanista valmistettuja implantteja, jotka 3D-tulostetaan potilaskohtaisesti. Samaan ryhmään kuuluvat myös hammaskirurgiassa käytettävät kobolttikromi-implantit.

3D-tulostetut implantit ovat jo nyt arkipäiväistyneet potilashoidossa. Tuomen mukaan Suomessakin käytetään viikoittain 3D-tulostettuja implantteja, sekä erikoisinstrumentteja ja työvälineitä, jotka muodostavat lääketieteellisten sovellusten kolmannen ryhmän.

– Leikkauksia varten voidaan tehdä esimerkiksi erilaisia pora- ja sahaohjaimia. Neljäs ryhmä taas ovat erilaiset tuet ja ohjaimet, kuten klassisen kipsin korvaavat tuet. Voidaan valmistaa myös mobilisoivia ohjaimia, jotka mahdollistavat nivelten liikkeen ja potilaan anatomian mukaisen liikkeen ohjaamisen.

Kipsitukia korvaavia 3D-tulosteita käytetään kuitenkin toistaiseksi harvemmin kuin kolmen ensimmäisen ryhmän sovelluksia. Tuomen mukaan lääketieteellisille malleille on yksinkertaisesti enemmän käyttöä, esimerkiksi kallon alueen kirurgiassa.

– ”Kipsaamiseen” on nyt käytettävissä suhteellisen hyviä materiaaleja, mutta niin sanottujen mobilisoivien tukien käytön lisääntymisen odotetaan lisäävän myös 3D-tulostuksen käyttöä tällä sovellusalueella.

3D-tulostuksen lääketieteellisiin sovelluksiin voidaan Tuomen mukaan käyttää pääasiassa samoja laitteita kuin teollisuuden sovelluksiin. 3D-tulostuksen yleistymistä lääketieteessä hidastaa kuitenkin se, että käytetyt 3D-mallit joudutaan teettämään sairaaloiden ulkopuolella. 3D-tulostuksen suora valmistuskustannus onkin vain murto-osa kokonaiskustannuksista.

– Lääkäreiden koulutukseen ei juurikaan sisälly 3D-suunnittelu ja -mallinnustekniikoita, joten lähes poikkeuksetta klinikat joutuvat turvautumaan niiden ulkopuoliseen konsultointi- ja asiantuntijatyöhön. Siitä muodostuvat suurimmat kustannuserät, mutta säästöä syntyy toisaalta lyhentyneistä leikkausajoista ja potilasturvallisuuden paranemisesta, joten tähän ollaan valmiita panostamaan.

– Toisaalta lääketiede on suhteellisen konservatiivinen ala kokonaisuudessaan, joten uusien sovellusten kehittäminen ja käyttöönotto on melko hidasta.

ear

Tulevaisuus biovalmisteissa

Toisin kuin Jukka Tuomen jaottelun neljä ensimmäistä ryhmää, on viides ryhmä, biovalmistus, vielä pikemminkin tutkimuskohde kuin aktiivisesti käytettävä sovellus. Englanniksi biomanufacturing-termillä tunnettu alue tarkoittaa 3D-mallien pohjalta biomateriaaleista tulostettujen osien valmistusta, joiden toivotaan korvaavan inertit implantit.

– Biovalmistuksessa luodaan 3D-tulostamalla kudospuutoksia korvaavia osia, jotka sitten asennetaan potilaalle. Näitä voivat olla esimerkiksi biomateriaaleista valmistetut, vaikkapa luuta korvaavat komponentit, joissa voi olla tukirakenne biomateriaalista, mutta myös lääkeaineita, kasvutekijöitä, ravinneaineita ja soluja 3D-matriisiin sopivasti sijoiteltuna.

– Biovalmisteilla voidaan sitten korvata inerttejä implantteja. Mehän emme välttämättä haluaisi laittaa pysyviä vierasesineitä, kuten metalli-implantteja, ihmiskehoon, vaan tavoitteena on, että tulevaisuudessa siirryttäisiin yhä enemmän käyttämään biovalmistuksen tuotteita, jotka sitten monin paikoin voivat korvautua ihmisen omalla kudoskasvulla. Biovalmisteet voivat siis parhaimmillaan kadota kehosta siten, että ihmisen omat kudokset kasvavat niiden tilalle.

Biovalmistus tuo tekniikkana mieleen tieteiselokuvien futuristiset visiot, ja ala onkin vasta lapsenkengissä. Aiemmin tänä vuonna uutisoitiin kuitenkin yhdysvaltalaisen Wake Forest Universityn tutkijoiden onnistuneen jo soveltamaan 3D-tulostusta elävän ihmiskudoksen tulostamiseen. Tekniset mahdollisuudet ovat siis olemassa, vaikka menisikin vuosia, ennen kuin niitä voidaan soveltaa ihmispotilaisiin.

– Teknologisesti biovalmistus on suurimmalta osin vielä tutkimusvaiheessa, eikä valmiita tuotteita juurikaan tehdä. Tutkimusalueena biovalmistus on myös kaikkein vaikein, sillä siihen liittyvät haastavimmat viranomaisten hyväksyntäprosessit.

Tuomen mukaan 3D-tulostuksen lääketieteellisten sovellusten kehittämisen haasteena ovatkin usein tutkimukseen ja potilaskäyttöön liittyvät lupamenettelyt.

– Yksi haaste on se, että lääketieteen sovellukset ja tuotteiden tuominen markkinoille ovat hyvin säädeltyjä. Syklit ovat hyvin pitkiä, ennen kuin tuotteet saadaan hyväksyttyä potilaskäyttöön. Lisäksi jo siihen, että tällä alueella ryhdytään tekemään tutkimusta, liittyy paljon byrokratiaa ja hallinnollisia hyväksyntämenettelyjä.