人物パーツの印刷

交換用の膝、股関節、その他の関節は 3D プリントの始まりにすぎません

悲しいことに、年を重ねるごとに体は衰え始めます。 過去数日では、これは最寄りの流氷の上を海へ向かう片道旅行を意味していたかもしれません。 しかし、現代の医療技術のおかげで、人類はより長く痛みのない生活を期待できるようになりました。

これらの最新の医療技術を可能にする、最もクールで最も先進的なものの 1 つでしょうか? もちろん積層造形 (AM) です。

AM を使用すると、医師は老化した股関節や膝に合わせて患者固有の交換部品を設計できます。 彼らはカスタム装具を開発し、さまざまな身体的損傷を修復し、トレーニングや手術計画のために 3D 現実的なモデルを印刷し、以前は非実用的または製造がまったく不可能だった医療機器を生産できます。 これによりコストが削減され、患者の転帰が改善されますが、多くの場合、3D プリントは生死を分ける差別化要因にもなり得ます。

ダイアナ・ホールは、救命器具を印刷しているとは主張していないが、彼女の会社の製品のいずれかを着用すると治癒プロセスが改善され、従来の石膏ギプスよりも快適で便利で臭いが少ないと語ります。

Hall は、医師の骨折治療方法を変える新興企業 ActivArmor Inc. の創設者兼 CEO です。 医療従事者は、患部をグラスファイバーや石膏の殻で包み込む（皮膚の可視化や治療が妨げられ、定期検査のために切断する必要がある）のではなく、無料のスマートフォン アプリを使用して患者の腕、手首、脚、または足首をスキャンするだけで済みます。そして、結果として得られたデータを事実上すべての 3D プリンターに送信します。

3D プリンターの設置場所 (診療所、地域の製造現場、コロラド州プエブロにある ActivArmor の施設にある多数の同様の機械の中) に応じて、カスタムフィットされた再利用可能なキャストは数時間以内に使用可能になります。または数日。 後者の場合、ActivArmor は待機中に装着できる 3D プリントの副子も提供します。

「石膏ギプスの不履行率が高い」とホール氏は言う。 「びしょ濡れになり、汚れます。包装が緩みます。中に物が閉じ込められるので、患者は虫歯になりシャワーを浴びることができないため包装を外します。除去中に患者が切り傷を負ったり、火傷を負ったりすることもよくあります。」

「当社のソリューションにより、患者のコンプライアンスが大幅に向上します」とホール氏は続けました。 「結束バンドを使って所定の位置に固定するので、シャワーや水泳の際に取り外す必要がありません。また、消毒可能なプラスチックで作られているため、清潔に保つのが簡単です。また、はるかに通気性があり、従来のように複数回キャストする必要はありません」石膏を使用した場合 - ほとんどの場合、単一の 3D プリント デバイスで、長腕ギプスから短腕ギプスに、また固定ギプスから取り外し可能な副子に変換する際に、患者を治癒プロセス全体に運びます。コストははるかに低くなります。」

EastPoint Prosthetics and Orthotics Inc. も、命を救う医療製品を製造しているわけではありませんが、その仕事は間違いなく人生を変える可能性があります。 多くの医療従事者と同様、ノースカロライナ州キンストンの診療所は、HP Inc. の複数のマルチ ジェット フュージョン (MJF) プリンターに投資することで、製造問題を自らの手で解決しました。同社はまた、幅広いカスタム デバイスの設計と構築方法を学んでいます。 。

EastPoint は 2018 年に 3D プリンティング サービス局との連携を開始しましたが、1 年以内に独自のマシンを導入することを決定しました。 主な理由は、品質です。

「受託製造業者は概して非常に優れていますが、同時に利益を最大化しようとするため、次善の方向性で何かを構築したり、欠陥を引き起こす可能性のある超高密度の入れ子戦略を使用したりする可能性があります」とイーストポイントの認定義肢装具士であるブレント・ライト氏は説明した。 「しかし、私たちが製造する矯正器具や義肢は人に装着されます。何か問題が発生した場合に新しいものを印刷すれば済むような消費財とは異なります。要するに、私たちに失敗はあり得ません。」

確かに賭け金は高いですが、EastPoint の取り組みには、膝ブレースや靴のインレーの作り方を学ぶ以上のものがたくさんありました。 同社が製造する 3D プリント デバイスの多くは、切断者を義足に接続するために使用されるソケットや術後のフィッティングなど、耐荷重性を備えています。

ライト氏とチームは、製造するプラスチック部品の機械的特性と構造的完全性を物理的にテストする方法を学ばなければなりませんでした。 このプロセスは、ActivArmor が排除しようとしているもの、つまり石膏ギプスから始まる可能性があります。

しかし、ライト氏は、一連の 3D スキャン、グラスファイバーの型、患者の身体部分のデジタル モデルなど、EastPoint が臨床医から受け取ったものはすべて使用できるとすぐに指摘しました。

デバイスと必要な設計変更に応じて、ファイルは、メッシュ クリーンアップ、有限要素解析、ビルド前処理などのタスクのために、いくつかのソフトウェア パッケージの 1 つに移動される場合があります。 耐荷重部品に最も一般的に使用されるポリマーはナイロン 12 と熱可塑性ウレタン (TPU) ですが、ライト氏は、新しい用途や材料が出現しており、その一部は診療所の蒸気研磨機で追加処理 (滑らかさのため) が施されていると指摘しました。

何世紀にもわたって専門家が手作業で製造してきたデバイスになぜ 3D プリンティングが必要なのかと尋ねられたとき、ライト氏の答えは驚くべきものではありませんでした。 「当社には、非常に経験豊富で高度なスキルを持つ矯正歯科技師や補綴技師が高齢化しており、彼らを補充することはできません」と同氏は述べた。 「積層造形により、彼らの才​​能をより効果的な方法で活用でき、業界の重大なギャップを埋めることができます。」

金属 3D プリンティングに目を向けると、オハイオ州フェアボーンにあるマール タンジブル ソリューションズ社があります。同社の幹部であるアダム クラーク氏とクリス コリンズ氏は、幅広い整形外科用インプラントの印刷と後処理に日々を費やしています。 「脊椎コンポーネントは長い間当社の糧でしたが、最近では新たな市場に進出しています」とコリンズ氏は語った。 「当社は現在、多くの足と足首の部品、ネジ、アンカー、その他のクラス 1、2、および 3 のデバイスを製造しています。これらはすべて Ti-6Al4V グレード 23 チタン合金で作られています。」

Tangible は 2013 年の設立以来急速に成長しました。コリンズ氏によると、同社は過去 1 年間で 10 個の資本設備を追加し、現在では年間 200,000 本近くのインプラントを生産しています。 この成功は、医療機器受託製造会社であるフランスのマール・グループの注目を集め、昨年タンジブル社の株式の過半数を購入した。

Tangible がプリントする部品はどれも目新しいものではなく、医療機械工場で時間を過ごしたことのある人なら誰でも、さまざまな脊椎ケージ、脛骨トレイ、寛骨臼カップなどは何十年も前から存在していることに気づくでしょう。 AM が従来のプロセスより明らかに遅いことを考えると、なぜ印刷するのかという疑問が生じます。

「当社にはコスト競争力がかなりありますが、この分野での 3D プリンティングの成功の理由はコストをはるかに超えています」とクラーク氏は語ります。 「たとえば、伝統的に作られたショルダーステムには、骨の接着性を高めるためにプラズマスプレーが追加され、粗さを与えています。しかし、私たちは他のプロセスではできない方法でその粗さを設計し構築することができます。それを円錐形や三角形に成形することができます。または、特定の領域をより滑らかにして攻撃性を軽減し、マスキングや高価な二次手術は必要ありません。

「また、コンポーネントの機械的特性を調整する大きな可能性もあります。たとえば、患者の体重に基づいて異なる剛性レベルが必要な場合や、患部の CT スキャンに基づいてインプラントや矯正装置を作成する可能性も考えられます。 」とクラークは続けた。 「実際、私たちは顧客の 1 人が最初のカスタム ケージを通過して 510(k) 承認プロセスを通過できるよう支援しました。」

Dan Crawford は、CT、MRI、PET スキャンを通じて取得した DICOM データを患者専用の医療機器に変換することについて熟知しています。 Axial Medical Printing Ltd. (Axial3D として商標登録され、3D プリンティング大手 Stratasys Ltd. のパートナー会社) の創設者である彼は、アイルランドの本社で日常業務を管理しています。

DICOM は、医療におけるデジタル イメージングとコミュニケーションの略です。 クロフォードは、外科医、病院、医療機器会社が DICOM データをセグメント化または患者固有のモデルに変換し、3D プリントしたり、拡張現実や仮想現実などの他のソリューションと併用できるようにするビジネスを構築しました ( AV/VR）技術。

「当社の大部分はソフトウェアエンジニア、生物医学エンジニア、機械学習エンジニアで構成されており、彼らの仕事は本質的に『サービスとしてのセグメンテーション』をサポートし、さらに発展させることです」とクロフォード氏は説明した。 「これにより、医療提供者は高価なソフトウェアに投資してその使い方を学ぶ必要がなくなります。代わりに、通常は高度な訓練を受けた技術者を必要とするプロセスの多くを自動化する一連の機械学習アルゴリズムを作成しました。外科医は単にデータをアップロードするだけです。」 2 次元画像ファイルを当社のクラウド プラットフォームに送信すると、印刷可能な CAD モデルが 1 日以内に返送されます。また、従量課金制なので、前払い費用はかかりません。」

3D プリンタを利用できない病院や診療所のために、Axial3D と Stratasys の提携により、送信された DICOM 画像を喜んで印刷するサービス ビューローが設立されました。 これらは、EastPoint Prosthetics が毎日製造しているカスタムフィットの装具に似ている可能性があります。あるいは、外科医が今後の医療処置を実践および計画するために使用する患者の脊椎、心臓、またはその他の身体部分のレプリカである可能性があります。

それは医師にとっても患者にとっても同様に喜ばしいことです。手頃な価格で簡単に入手でき、カスタマイズされた医療機器は、関係者全員にとって確実により良い結果につながるからです。 しかし、AR/VR に関するクロフォードの以前のコメントはどうでしょうか? これらの新しいテクノロジーにより、手術計画ツールの 3D プリントはすぐに時代遅れになるのでしょうか?

クロフォードによれば、そんなことはない。 「この 2 つは完全に相補的です。整形外科医は骨や筋肉のような感触の物体で練習したいと考えていますが、3D プリントは人間の組織の質感や色を常にうまく再現しています」と彼は説明しました。 「AR/VR では、その感触や感触を再現することはできません (いずれにせよ、まだです)。しかし、AR/VR でできることは、心臓血管外科医が血管にズームインして、3D プリント モデルでは提供できない微細な詳細を見ることができることです。どちらも必要であり、どちらも 10 年前にさえ夢見られた利益を提供し続けるでしょう。」

継続的に進化するテクノロジーといえば、チューリッヒに本拠を置く Spectroplast AG の営業責任者、Mattia Brodar 氏に話を聞いてください。同社は、重要な医療および産業用材料であるシリコーンを 3D プリントする生産的かつ再現可能な方法を開発し、それを中心にサービス ビューローを構築した企業です。 これは、射出成形や鋳造に伴う工具費用やリードタイムなしで液体シリコーンゴム (LSR) から部品を製造したいと考えている人にとっては歓迎すべきニュースですが、AM の問題を積極的に取り入れたい人にとっては、すぐにさらに良いニュースとなる可能性があります。自分たちの手。

「当社のビジネスモデルは、顧客向けに部品を生産することに基づいています」とブローダー氏は述べた。 「当社の AM テクノロジーを商業化する機会を探るため、SAM (Silicon Additive Manufacturing の略) と呼ばれるターンキー ソリューションとして十数台のデスクトップ プリンターを製造しました。そのため、当社はその製品の将来性をまだ評価しているところですが、当社のオンデマンド サービス用の新しい印刷ソリューションは、はるかに大規模で、1 メートル x 30 cm のビルド プラットフォームを提供し、医療業界をはるかに超えたアプリケーションを備えています。」

3D プリンティング シリコーンの何が重要なのでしょうか? そして、入手可能なポリマーが数百、おそらくは数千あることを考えると、そもそもなぜわざわざシリコーン専用の機械を発明する必要があるのでしょうか? まず、LSR はピーナッツバターの粘稠度を持っており、これまで、LSR を AM 用に加工することは、特性が低下するだけでほぼ不可能であることが判明しています。

Spectroplast は、既知のプロセスから大きな変更を加えていない独自の光ベースのシステムを構築したと主張しています。 さらに重要なことは、この機械は部品の品質と精度の点でナットを割ることができる、と Brodar 氏は言います。

素材に関しては、1世紀以上業界で知られているものと同じシリコーンゴムを使用しているとBrodarは主張しています。 同氏は、同社がどのようにしてシリコーンを光硬化可能にすることができたのかについては議論せず、また、高粘度材料のすべてのプリンターを悩ませる剥離力の軽減についても詳しくは述べない。 彼が言うことは、層剥離の危険性がなく、Spectroplast の印刷部品はすべての軸でほぼ均一な強度を示すということです。

これにより、前述の手術モデルに加え、補聴器、理学療法ツール、リストバンド、チューブコネクタ、医療機械に使用されるガスケットやシールなど、あらゆる種類の生体適合性部品への扉が開かれます。 最近まで、ビルド プラットフォームのサイズはスマートフォン程度に制限されていましたが、Spectroplast の大規模産業用 SAM のリリースが間近に迫っているため、この状況は変わりそうです。

手術室のゾウについてはどうでしょうか: FDA の認証? 「ここでの問題は、特定の製品を認証するにはプロセス全体を認証する必要があるということです」とブローダー氏は述べた。 「サービスプロバイダーとして、当社は多種多様な部品を製造しているため、まだこれを達成することはできませんが、パートナーと緊密に連携して、確実に達成できるように努めています。とはいえ、医療 OEM やその他のシリコーン製品開発者からの反応は非常に良好です。」ポジティブ。"

医療指向であろうとなかろうと、3D プリンティング技術の導入は困難な道となる可能性があり、費用のかかる落とし穴と法外に長い学習曲線に満ちています。 ノースカロライナ州コーネリアスにある Layered Manufacturing and Consulting Inc. のオーナー兼社長であるシャノン ヴァンデレン氏は、これらの課題を乗り越える最善の方法は、指導を受けられる知識豊富なパートナーを見つけることだと示唆しました。

「私は、多くの大手プロバイダー（その中には私が働いていたこともあるプロバイダーもいます）が問題を理解する前に、潜在的な顧客にソリューションを提供するのを長年見てきました」とヴァンデレン氏は語った。 「顧客がアルミニウムや ABS (アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン) にも印刷する必要があるとしても、チタンに最適なプリンターだけを販売しているのであれば、それが答えです。そのアプローチは私にとって常に後ろ向きに感じられました。」

幸いなことに、ヴァンデレンはその過程で多くの人脈を築き、独立する際には十分な準備を整えていました。 それは 2015 年のことですが、彼女は、生産現場を見学したり、クライアントのニーズや将来の目標を完全に理解したりすることを含まない販売プロセスを今も見続けています。 医療以外の注目すべき例では、最近購入した 3D プリンタがその中核となる油密部品を製造できなかった会社から彼女に電話がありました。 「知識のないセールスマンのおかげで、彼らは非常に高価なコートラックを手に入れることができました。」

彼女のアドバイスは？ できる限りの知識を身につけ、3D プリントの経験がある人を含めてネットワークを広げ、彼女のような人の助言を求めることを検討してください。 彼女はまた、絶望しないでくださいとも言います。AM は初期導入者にとっては気が遠くなるように思えるかもしれませんが、常に合理化され、コスト効率が高くなっていきます。

「いくつかの理由から、業界の能力レベルは上がっていると思います」とヴァンデレン氏は付け加えた。 「一つは、新型コロナウイルス感染症の終息後、人々が再び転職し、3D プリンティングの知識を持ち帰るようになっていることです。これは元の雇用主にとってはあまり良いことではありませんが、彼らを雇った人たちが状況を把握するのに役立つことは間違いありません」人々はここに来て学び、私たちが皆隔離されていた間に過去 3 年間に何が起こっていたのかを見ることができます。

「最後に、人々や企業は添加剤の使用方法を共有することに少しずつ前向きになっていると思います」とヴァンデレン氏は続けた。 「もちろん、秘密のソースを渡す人は誰もいませんが、情報共有はどのレベルであっても前向きなものです。上げ潮がすべての船を持ち上げるという古いことわざです。」

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