Lääketieteen ja terveysalan käyttökohteet

3D-tulostuksen käyttö lääketieteessä ja terveydenhuollon sovelluksissa juontaa juurensa valmistusmenetelmän alkuaikoihin saakka.

Viime vuosina valmistusmenetelmän käyttöönotto tunnetuissa ja uusissa sovelluskohteissa on kiihtynyt tekniikan kehittymisen ja yleistymisen myötä. Terveydenhuollon käyttötarpeisiin soveltuvia laitteistoja on jo laajasti tarjolla useiden eri laitevalmistajien toimesta. On myös havaittavissa että tietyt laitevalmistajat myyvät laitteitaan lääketieteen käyttöön selvästi kalliimpana, vaikka laitteisto olisikin pääpiirteissään aivan samanlainen kuin teollisuuden käyttötarkoituksiin myytävät. On tosin huomioitava, että hintaeroon vaikuttavat terveydenhuollon materiaalivaatimukset, jotka ovat tiukemmat kuin teollisuuden sovelluksissa. Myös laitteistovalmistajien hankkimat sertifioinnit, jotka terveydenhuollossa voivat olla pitkiä ja kalliita prosesseja, nostavat laitteistojen hintoja.

Yhdysvalloissa 3D-tulostuksen käyttöä lääketieteessä ja terveydenhuollon sovelluksissa hallinnoi FDA (Food and Drug Administration). FDA julkaisi 2017 ensimmäisen ohjeistuksen aiheeseen liittyen nimellä "Technical Considerations for Additive Manufactured Medical Devices". Lisätietoa: https://www.fda.gov/medical-devices/products-and-medical-procedures/3d-printing-medical-devices

Euroopassa 3D-tulostuksen käyttöä alalla säätelevät asetukset MDR (Medical Device Regulation) ja IVDR (In vitro diagnostic regulation). Parhaillaan on menossa niiden osalta siirtymäaika asetusten päivittämisen johdosta. Uudet asetukset astuvat voimaan seuraavasti:

• 26.5.2020: (2017/745/EU) (MDR)
• 26.5.2022: (2017/746/EU) (IVDR)

Materiaalikehitys on näkynyt paljon myös tämän alan sovelluksissa. Esimerkiksi implanttien osalta käytetty materiaali on perinteisesti ollut titaani, mutta tulevaisuudessa erityisesti tätä tarkoitusta varten kehitetyt muovilaadut tulevat korvaamaan osan käyttkohteista.

Viime vuosina 3D-tulostuksen käyttö lääketieteen ja terveydenhuollon käyttökohteissa on hieman pienentynyt muihin teollisuudenaloihin verrattuna. Tämä ei tarkoita sitä, että 3D-tulostuksen käyttö olisi alalla vähentynyt, vaan muilla aloilla käyttö on kasvanut vieläkin nopeammin. Suomessakin 3D-tulostuksen käytöstä terveydenhuollossa on uutisoitu muutamaan otteeseen, ja 2013 valmistui ensimmäinen väitöskirja aiheesta. Sairaaloiden käytössä suomessa on kuitenkin vielä suhteellisen vähän 3D-tulostusosaamista, mutta näyttää siltä että tilanne etenee lähivuosina parempaan suuntaan. 

Kuva 1. Wohler's Reportin mukaan vuonna 2018 lääketiede ja hammaslääketiede kattoivat 11,5% 3D-tulosteiden käyttökohteista.

Biotulostus

Biotulostuksen myötä on mahdollista elävän kudoksen sekä kokonaisten elinten tulostaminen. Vaikka biotulostaminen onkin vielä kehitysvaiheessa, on maailmalla onnistuneesti hyödynnetty 3d-tulostusta useiden eri elimien, mm. korvien valmistuksessa.

Tutkimuksellisessa myötätuulessa on myös verisuonellisten kudosten tulostaminen. Verisuonten valmistaminen kudoksen sisään on teknisesti hyvin haastavaa mutta siinä on onnistuttu luomalla ensin verisuonten runko 3D-tulostamalla, kasvattamalla solukkoa tukirakenteen ympärille ja lopuksi liuottamalla tukirakenne pois.

Biotulostamisen avulla ”hajonneiden”/"kuluvien" osien korjauksen lisäksi myös elinten ”päivitys” on tulevaisuudessa mahdollista. Princetonin yliopiston tutkimusprojektissa tulostettiin korva, johon integroitiin radiotaajuuksien vastaanotin. Vastaanottimen avulla korva pystyy vastaanottamaan huomattavasti laajemman skaalan taajuuksia kuin normaali ihmisen korva. Vaikkakin menetelmän käyttäminen ihmisille vaatii vielä paljon lisätutkimusta, mutta periaatteessa korvaan integroitu vastaanotin voidaan kytkeä ihmisen hermopäätteisiin jolloin se toimisi kuulolaitteen tavoin. Tutkimuksen tavoitteena oli perehtyä elektroniikan ja biologisen rakenteen integroitumiseen.

Hammashoito

Hammashoidon puolella on merkittävä määrä erilaisia käyttökohteita muovi- ja metallitulosteille, esimerkkinä voidaan mainita kirurgisten operaatioiden ohjurit ja mallit, työkalut ja valut perinteisten tekniikoiden avuksi sekä hammasimplantit, kruunut ja sillat.

Hammashoidon osalta 3D-tulostusmarkkinoiden arvellaan kasvavan 515 prosentilla nykyisestä 141 miljoonasta dollarista 868 miljoonaan dollariin vuoteen 2025 mennessä. Myös huomattavasti suurempia arvioita on esitetty.

Yleisimpiä 3D-tulostuksen käyttökohteita hammashoidossa ovat luonnollisesti hammasimplanttien valmistus sekä hammasrautoja korvaavat menetelmät.

Kuva 2. Hammashoidon puolelta on löytynyt muutamia käyttökohteita joissa 3D-tulostus on vallannut alaa vauhdikkaasti. Lähde: Stratasys 2019

Hammasimplantit, kruunut, sillat

Hammaslääketieteen sovelluskohteet ovat todennäköisesti 3D-tulostuksen yleisin käyttöalue terveydenhuollon puolella. Esimerkiksi Align Technology yhdysvalloissa valmistaa päivittäin yli 220 000 yksilöllistä hammasohjuria tehden siitä yhdysvaltojen suurimman toimijan alalla. (Lähde: 3dprint.org 1.6.2018). Menetelmän tarkoitus on korvata perinteiset hammasraudat ja tuotantoprosessi etenee jotakuinkin seuraavasti:

1. Menetelmässä skannataan asiakkaan suu
2. 3D-tulostetaan tarkka 3D-malli.
3. Tämän jälkeen 3D-mallia käytetään lämpömuovattavien muottien valmistuksessa

3D-tulostuksen avulla valmistusprosessi on nopea ja kustannustehokas. Luonnollisesti yrityksellä ja tuotteella on myös lääkintäviranomaisten hyväksyntä.

Myös hammasimplanttien ja kruunujen valmistaminen 3D-tulostamalla on jo ”arkipäiväinen” sovellus. Yhdessä suun kuvantamismenetelmien kanssa tämä mahdollistaa nopean ja yksilöllisen ratkaisun.

3D-tulostus jatkaa kehityslinjaa hammasimplanttien osalta joka on tähän mennessä ollut käsinvalmistus -> cnc-koneistamalla valmistus -> 3D-tulostus. 3D-tulostus on ollut cnc-koneistuksen rinnalla muutaman vuoden ajan toteutukseltaan hieman kalliimpana vaihtoehtona. Teknisen kehityksen myötä menetelmä on kuitenkin syrjäyttämässä cnc -koneistuksen kustannustehokkaampana ja parempana vaihtoehtona.

Lääkkeet

Lääkkeiden 3D-tulostamisella pyritään mm. täsmällisempiin, potilaskohtaisiin annoksiin, tablettien nopeampaan liukenemiseen sekä pyritään helpottamaan toimitusta potilaiden luokse.

Lääketablettien ja annosten tulostus

Ensimmäiset lääkkeiden tulostamiseen soveltuvat prototyyppitulostimet ovat jo rakennettu ja käytössä.

Yhdysvalloissa on terveysviranomaisten toimesta hyväksytty 3D-tulostettu pilleri epilepsian hoitoon, kaupalliselta nimeltään ”Spritam”, joka valmistetaan hieman tyypillisiä 3D-tulostusmenetelmiä muistuttavalla tavalla. Lääkeaine levitetään suuttimen avulla tulostusalustalle, jonka jälkeen sen päälle ruiskutetaan nestemäisellä "liima-ainetta", joka kiinteyttää jauheen. Tulostusalusta puolestaan on liukuhihna, jossa lääkeaine kulkee ensin jauhesuuttimen ja sen jälkeen nestemäisen suuttimen ali. Syynä lääkkeen valmistamiseen 3D-tulostamalla on se, että Spritamia valmistava yritys Aprecia Pharmaceuticals on havainnut epilepsialääkkeiden käyttäjillä ongelmia pillerien imeytymisessä. 3D-tulostus mahdollistaa pillerin huokoisuuden hallinnan, ja huokoisuutta säätelemällä voidaan vaikuttaa lääkkeen imeytymisnopeuteen. Valmistajan mukaan Spritam –tabletit liukenevat alle kymmenessä sekunnissa. Luonnollisesti Aprecia tulee jatkossa hyödyntämään patentoimaansa valmistusmenetelmää, jota se kutsuu nimellä ZipDose®, myös muiden pillerien valmistuksessa.

Kuva 3. Aprecian kehittämä ZipDose -valmistusmenetelmä, Lähde: https://www.aprecia.com/zipdose-platform/zipdose-technology.php

Muitakin 3D-tulostuksen valmistusmenetelmiä tutkitaan lääkkeiden valmistukseen. Mielenkiintoa on herättänyt mm. pursotusmenetelmän hyödyntäminen. University College London on tutkinut tyypillisen pursotusmenetelmän (fused filament fabrication) käyttöä potilaskohtaisesti räätälöityjen tablettien valmistamiseen. Tämä toteutettiin käyttämällä filamenttina yleisesti saatavilla olevaa PVA (polyvinyl alcohol) -filamenttia, johon imeytettiin etanolipohjainen fluoreisiini-liuos. Lääkeainetta kuvaava fluoreisiini-liuos oli etanolipohjaista, sillä vesipohjainen lääkeaines ei sovellu imeytettäväksi vesiliukoiseen filamenttiin. 3D-tulostinlaitteena käytettiin yleistä harrastelijatason MakerBot Replicator 2X 3D-tulostinta. Lääkeannoksen määrää tabletissa säädettiin kappaleen "infill" -parametrilla, jolla määritellään tulostettavan kappaleen täyttöaste. Tutkimuksen perusteella menetelmä voisi soveltua potilaskohtaisesti räätälöityjen tablettien valmistukseen. Sama tutkimusryhmä on myös perehtynyt erilaisten geometrioiden merkitykseen ja mahdollisuuksiin 3D-tulostamalla valmistetuille pillereille.

Myös nestemäisten ratkaisujen hyödyntämistä 3D-tulostettavien lääkkeiden valmistamiseen tutkitaan. Tällainen ratkaisu voisi olla esimerkiksi ”lääkemusteen” luominen. Lääkinnässä tarvittavat ainesosat muutetaan nestemäiseen muotoon josta ne voidaan tulostaa tarvittavan kokoisiksi tableteiksi. Suunnitelmana tässä vielä konseptitason sovellustavassa olisi, että käyttäjät joko saisivat tulostettua apteekissa itselleen sopivia lääkeannoksia tai saisivat apteekista mukaan lääkkeen tulostettavan raaka-aineen ja voisivat tulostaa lääkkeen itse kotonaan tai lähellä olevassa tulostuspalvelussa.

Vaikkakin varsinainen lääkkeen valmistaminen siirtyisi lähemmäksi käyttäjää, asiantuntijoiden mukaan lääkkeiden raaka-aineiden ja koostumusten valmistus säilyy suurten lääkeyhtiöiden hallinnassa kustannussyistä. Vain suurilla lääke-yhtiöillä on resursseja kehittää uusia lääkkeitä ja hyväksyttää ne eri maiden lääkintäviranomaisilla. Tähän ja lainsäädäntöön liittyvätkin suurimmat kysymykset lääkkeiden 3D-tulostukseen liittyen. Mikäli lääkkeen valmistaa jokin muu kuin lääkevalmistaja, kuka vastaa siitä että lääkeannos on sellainen kuin on tarkoitettu? Entä jos lääkkeen valmistaa kuluttaja itse? Helpottaako 3D-tulostaminen lääkkeiden kopiointia ja väärentämistä? Mahdollistavatko lääkkeiden tulostukseen soveltuvat 3D-tulostimet laittomien lääkeaineiden tai huumausaineiden valmistuksen?

Lähteitä ja lisätietoa

• https://www.aprecia.com/zipdose-platform/zipdose-technology.php
• Mustafa Alomari, Fatima H. Mohamed, Abdul Basit, Simon Gaisford, Personalised dosing: “Printing a dose of one’s own medicine”, University College London, International Journal of Pharmaceutics 494 (2015) s.568–577
• Alvaro Goyanes, Asma B.M. Buanz, Abdul W. Basit, Simon Gaisford: "Fused-filament 3D printing (3DP) for fabrication of tablets", University College London, International Journal of Pharmaceutics 476 (2014) s.88-92
• Shaban A. Khaleda, Jonathan C. Burleya, Morgan R. Alexandera, Jing Yangb, Clive J. Robertsa: "3D printing of tablets containing multiple drugs with defined release profiles", The University of Nottingham, International Journal of Pharmaceutics 494 (2015) p.643-650
• Alvaro Goyanes, Pamela Robles Martinez, Asma Buanz, Abdul W. Basit, Simon Gaisford: “Effect of geometry on drug release from 3D printed tablets”, University College London, International Journal of Pharmaceutics 484 (2015) s.657-663

 Laitteet ja osat

Terveydenhuollossa käytetään paljon koneita ja laitteita joissa on paljon potentiaalisia 3D-tulostettavia osia. 3D-tulostettu laitteen osa voi olla merkittävästi nopeampi ja halvempi tapa korjata/päivittää laite. Lisäksi 3D-tulostetuilla osilla on samat edut terveydenhuollon osalta kuin perusteollisuudessakin – valmistusmenetelmä mahdollistaa muotoja ja rakenteita joiden valmistus ei ole muulla tavoin mahdollista.

Rajoittavana tekijänä osavalmistuksessa on tiukka hyväksyntämenettely. Laitteen käyttö lääketieteellisiin tarkoituksiin vaatii usein viranomaisluvan, sekä selvitykset siitä että käytetyt materiaalit ovat tarkoitukseensa sopivia.

Laitteet kuluttajille

Kuluttajille suunnattuja terveydenhuollon laitteen osia on toistaiseksi rajoittanut tiukka hyväksyntämenettely.

Esimerkkinä kuluttajille asti edenneestä 3D-tulostetusta laitteesta on Israelilaisen yrityksen valmistama inhalaatiopumppu. Tuotteesta 70% valmistetaan 3D-tulostamalla mikä mahdollistaa joustavan valmistusprosessin.

Kuva 4. Syqe Inhaler -inhalaatiolaite, lähde: Syqe medical, http://www.syqemedical.com/

Tutkimuslaitteet

Yleisiä tutkimuslaitteiden osia ovat esim. erilaiset laipat ja sovitinkappaleet.

Viime aikoina läpimurtoja on tapahtunut paitsi tulostinten nopeudessa ja tulostuslaadussa, myös käytettävissä olevissa materiaaleissa.

Savonia tekee yhteistyötä Kuopion Yliopistollisen Sairaalan kuvantamiskeskuksen kanssa, tutkimuksen kohteena erilaiset sydämen phantom –laitteet radioaktiivisen nesteen kuvantamista varten.

Mallit, esimerkit ja tukirakenteet

Anatomisesti korrektit mallit

Anatomisesti korrekteja 3D-tulostettuja mallikappaleita on valmistettu havainnollistamistarkoitukseen aina 3D-tulostuksen alkuajoista saakka. Kehityksen myötä tulosteiden laatu on parantunut olennaisesti ja varsinkin valmistusprosessi (kuvantaminen/skannaus, tulostaminen) on nopeutunut, helpottunut ja saavuttanut paremman hinta/laatusuhteen. Ulkoisten raajojen ja piirteiden valmistaminen 3D-tulostimella on erityisen helppoa 3D-skannerien kehityksen ja yleistymisen myötä. Sisäelimistä tulosteet puolestaan valmistetaan yleensä CT-skannatun materiaalin pohjalta jotta varmistetaan potilaskohtaisesti tarkka lopputulos.

Kirurgit käyttävät 3D-tulostettuja esimerkkikappaleita operaatioiden harjoittelussa. Tulostusmateriaaleja ja käytettyjä menetelmiä on useita erilaisia, eri muovilaadut yleisimpänä materiaalina. Tulostusmateriaalina käytetään myös paperia.

Operaatioiden harjoittelun ja havainnollistamisen lisäksi malleja käytetään mm. implanttien sovituksessa ennen kuin niitä aletaan asentamaan potilaaseen.

Kuva 5. 3D-tulostettujen anatomisten mallien käyttö operaatioiden suunnittelussa sekä opetuksessa on nopeasti yleistyvä trendi maailmalla. Lähde: Stratasys 2019 & Formnext 2018

Kipsin/tukirakenteiden korvaus

3D-tulostamalla on mahdollisuus printata potilaskohtaisesti räätälöityjä kipsejä / tukirakenteita erilaisiin tarkoituksiin. Tämä mahdollistaa erinomaisen soveltuvuuden lisäksi myös visuaalisesti näyttävät toteutukset sekä monikäyttöiset tukirakenteet. 3D-tulostusta voidaan hyödyntää myös erilaisiin integraatioihin elektronisten laitteiden kanssa, esimerkkinä linkeistä löytyvä bluetooth –kaiutin joka on integroitu jalan kipsiin.

Yksi kuluttajillekin tuttu kohde on jalkojen tukipohjalliset. Useat yritykset tarjoavat mahdollisuutta 3D-tulostettujen tukien valmistamiseen 3D-skannatun datan perusteella. Menetelmän mainostetaan lyhentävän merkittävästi asiakkaan odotusaikaa ja osa yrityksistä tarjoaakin pohjallisia 48 tunnin toimitusajalla. Vuonna 2019 Shapeways (palveluntarjoaja) ja EOS (jauhepetitekniikkaan perustuvien laitteiden valmistaja) toivat markkinoille biopohjaisen PA11 -materiaalin jonka yhdeksi käyttökohteeksi visoidaan juurikin terveydenhuollon käyttökohteita.

Kuva 6. Kipsin korvaavan 3D-tulostetun tukirakenteen valmistus, (Lähde: http://3dprint.com/43103/3d-printed-cast/)

Kuva 7. Shapeways ja EOS toivat tarjontaansa PA11 -materiaalin marraskuussa 2019. Lähde: Shapeways

Proteesit

Proteesien 3D-tulostus on kiivaasti kasvava ala. 3D-tulostus mahdollistaa monimutkaisten ja sisäkkäisten rakenteiden valmistamisen samalla kertaa ilman lisäkustannuksia joka tekee siitä erityisen hyvin soveltuvan tähän tarkoitukseen.

Lisäksi 3D-tulostus mahdollistaa merkittävästi halvempien proteesien valmistamisen. Meneillään on useita yleishyödyllisiä, hyväntekeväisyyteen pohjautuvia kansainvälisiä hankkeita jotka pyrkivät tuottamaan halpoja proteeseja mm. kehitysmaihin. 3D-tulostaminen mahdollistaa proteesien nopean räätälöinnin ja huomattavan edulliset kustannukset.

Nykyaikaisen, monipuolisen proteesin kustannus on helposti kymmeniä tuhansia euroja, mutta 3D-tulostamisen avulla voidaan valmistaa toimivia proteeseja joille tulee kustannuksia vain muutamia satoja euroja. Luonnollisesti ominaisuudet eivät ole aivan huippuproteesien luokkaa mutta hinta/laatusuhde niillä on merkittävästi parempi. On myös tehty tutkimus jossa selvisi että proteesien loppukäyttäjät valitsevat mieluummin paremmin räätälöidyn, ominaisuuksiltaan muuten hieman rajoitetumman 3D-tulostetun proteesin mieluummin kuin kalliin huippuproteesin.