Metody wytwarzania przyrostowego 3D coraz częściej otwierają nowe możliwości w technologii medycznej. Alex Berry, założyciel firmy Sutrue (UK), oraz Richard Trimlett, konsultant w Royal Brompton Hospital, strategicznie koncentrują się na wykorzystaniu AM w kardiologii. Czy można poprawić „złote ręce” doświadczonego chirurga serca? Tak, to możliwe. Korzystając z przykładu maszyny do wykonywania szwów podczas operacji oraz stabilizatora serca do operacji endoskopowych, Sutrue pokazuje, jak bezpieczniej przeprowadzać operacje na sercu. Operacje serca mają stać się wkrótce szybsze i bezpieczniejsze. A to nie koniec dobrych wiadomości: pacjenci regenerują się szybciej.

Szwów po operacjach nadal dokonuje się w sposób prawie niezmieniony od czasów starożytnych Egipcjan. Alex Berry odkrył, że na świecie około 240 000 profesjonalistów medycznych doznaje co roku obrażeń spowodowanych ukłuciem igłą, jako bezpośredni skutek tego szycia. Nawet doświadczeni operatorzy stykają się z wadami i niedokładnościami wcześniejszych metod szycia. Aby to zmienić, Sutrue opracował instrument, który automatycznie przeprowadza dowolną zakrzywioną igłę z nicią przez tkankę pacjenta. Wymagania stawiane automatycznemu urządzeniu do szycia to szybkie, precyzyjne pozycjonowanie szwów, które są reprodukowalne i wykonane z konieczną siłą. Im lepiej i szybciej można wykonać szwy, tym krótsza jest operacja dla pacjenta. A czysty szew także sprzyja lepszemu powrotowi do zdrowia.

Bardzo wąskie urządzenie do szycia jest wkładane przez konwencjonalny endoskop o wielkości słomki do picia podczas operacji serca i ustawiane w odpowiedniej pozycji. Jego głowa może obracać się i być skierowana w dowolne miejsce, aby znaleźć pożądany fragment tkanki. Igła obraca się delikatnie i z precyzyjną dokładnością podczas szycia. Jest to możliwe dzięki skomplikowanemu miniaturowemu mechanizmowi zębatemu napędzającemu igłę. Cały mechanizm zębaty to zespół AM. Dzięki tej innowacji operator może szybko i czysto przeciągnąć szew i automatycznie ustawić go na miejscu. Teraz możliwe są nawet małe szwy w tętnicach lub w delikatnych strukturach. Każdy szew można wykonać z reprodukowalną dokładnością przy użyciu urządzenia do szycia. Dzięki temu szczególnie skomplikowane operacje można wykonywać szybciej i bezpieczniej. Dzięki urządzeniu do szycia teraz możliwe jest nawet trzy obroty igły na sekundę, zamiast jednego szwu na 25 sekund podczas szycia ręcznego, co zmniejsza ryzyko związane z operacją zarówno dla pacjentów, jak i chirurgów.

Idea stabilizacji mięśnia sercowego podczas operacji W samym Wielkiej Brytanii około pół miliona osób żyje z wadą serca. Leczenie farmakologiczne przynosi tylko bardzo drobne poprawy dla pacjentów, a często operacja serca jest jedynym sposobem, aby uratować czyjeś życie. W Wielkiej Brytanii choroby sercowo-naczyniowe są drugą najczęstszą przyczyną zgonów, stanowiąc 27% przypadków, zaraz po raku, który odpowiada za 29% wszystkich zgonów. Podczas operacji z otwartym sercem, chirurg potrzebuje stabilizacji mięśnia sercowego, aby przeprowadzić interwencję. Richard Trimlett przedstawia zadanie: “Przeprowadzamy operację na bijącym sercu, więc serce jest używane przez organizm, ale musimy zabezpieczyć mały obszar, na którym pracujemy. Kiedy klatka piersiowa jest otwarta, możemy włożyć duże urządzenie ssące, ale wykonując operację przez mały otwór, potrzebujemy bardzo małych części, które możemy wkładać i wyciągać. Nie chcemy zaszkodzić pacjentowi, oferując gorszą stabilność serca, co obniży jakość operacji wykonanej przez mały otwór. Powiedziałem Alexowi: ‘czy mógłbyś zrobić coś, co można by rozłożyć na części, przepuścić przez bardzo mały otwór, a potem użyć do stabilizacji serca? Czy moglibyśmy to zrobić tak, aby można było to wyrzucić, a nawet dostosować do różnych kształtów i rozmiarów?’”. Dla Richarda Trimletta było oczywiste, że stabilizator serca powinien być mały, możliwy do rozmontowania i zaprojektowany z otwartymi kanałami przed montażem. Rola stabilizatora polega na zatrzymaniu ruchu mięśnia sercowego w dokładnym miejscu, w którym chirurg chce przeprowadzić interwencję. Alex Berry podjął się zadania i przedstawił biokompatybilny prototyp stabilizatora serca: jedną część wykonaną z tworzywa sztucznego (SLS) i jedną część wykonaną z metalu (laser). Komponent składa się z pręta, na który jest nakładany stabilizator serca w kształcie litery U, podobny do stempla. Chirurg przyciska stabilizator do miejsca operacji, które chce unieruchomić, aby przeprowadzić interwencję.

Stabilizator serca został pomyślnie opracowany w zaledwie trzy miesiące. Wcześniej nie było niczym niezwykłym, że taki nowy rozwój zajmował nawet do dziesięciu lat. Komponent jest drukowany przez ES Technology na Mlab od Concept Laser w ciągu trzech do czterech godzin. Składa się z metalowej podstawy oraz kilku plastikowych punktów ssących, które aspirują za pomocą próżni. Obie części są łączone razem techniką sandwich. „Oszacowano, że koszt rozwiązania wyniósł tylko około 15,000 funtów.

Dla porównania, wcześniejsze konwencjonalne rozwinięcia kosztowały często ponad milion funtów,” mówi Berry, ilustrując relatywne sumy zaangażowane w projekt. Jednak z punktu widzenia Richarda Trimletta, to głównie pacjent zyskuje na nowych instrumentach stosowanych w operacjach serca. Tu przytacza średni czas rekonwalescencji pacjenta po konwencjonalnej interwencji chirurgicznej, który wynosi około sześciu miesięcy. “Wstępne doświadczenia wskazują,” według Richarda Trimletta, “że pacjenci przechodzą zauważalnie łagodniejszą procedurę i mogą wracać do zdrowia już po trzech do czterech tygodniach.”

Zespół Sutrue jest zaangażowany w rozwój medycznego sprzętu operacyjnego od ponad 10 lat. Precyzyjna analiza metody operacyjnej jest absolutnie niezbędna, aby umożliwić opracowanie odpowiednich instrumentów medycznych. Aby to osiągnąć, chirurdzy ściśle współpracują z ekspertami ds. medycyny, takimi jak Richard Trimlett. Trimlett, będący kardiologiem, stara się przełożyć specyfikacje i życzenia na konkretny zestaw wymagań. Dzięki współpracy z Alexem Berrym z Sutrue ma dostęp do eksperta od produkcji, który przekłada wymagania na projekty i geometrie CAD. Firma Sutrue pracuje z metodami AM (Additive Manufacturing – druk 3D) od około 7 lat. “Metody AM umożliwiają produkcję geometrii, której nie można uzyskać tradycyjnymi metodami produkcyjnymi. Ponadto, części mają większą wydajność lub precyzję funkcjonalną, albo są niezwykle delikatne lub małe. To często dokładnie to, czego wcześniej brakowało chirurgowi,” wyjaśnia Alex Berry.

Dystrybutor firmy Concept Laser w Wielkiej Brytanii, firma ES Technology, produkuje części do automatycznego urządzenia do szycia na maszynie Mlab, korzystając z procesu laserowego, znanego także jako druk 3D metalowy. Mlab jest szczególnie odpowiedni do wytwarzania delikatnych części, gdzie wymaga się wysokiego poziomu jakości powierzchni. Specjalnością kompaktowej maszyny jest bardzo przyjazny dla użytkownika, wysuwany system szuflad, który jest jednocześnie bardzo bezpieczny. Obejmuje to zarówno komorę budowy z komorą dozującą, jak i pojemnik na materiał. Pozwala to na szybką zmianę materiału bez ryzyka zanieczyszczenia proszków. Opatentowany system szuflad jest dostępny z trzema różnymi rozmiarami komory roboczej (50 x 50 x 80 mm³, 70 x 70 x 80 mm³, 90 x 90 x 80 mm³). Dostępny jest teraz także jego “starszy brat”, Mlab 200R, który umożliwia jeszcze większą wydajność dzięki podwojeniu mocy lasera z 100 do 200 watów. Ponadto stworzono większą komorę budowy, zwiększając objętość budowy nawet o 54% (maks. 100 x 100 x 100 mm³).

W tym przypadku technologia maszynowa firmy Concept Laser umożliwia wytwarzanie zębów mechanizmu zębatkowego, które mają tylko 0,4 mm długości. Na jednej płycie można wydrukować do 600 części. Po usunięciu systemu zębatego z łóżka proszkowego nie wymaga on obróbki końcowej, dzięki bardzo wysokiej dokładności procesu opartego na proszku metalowym. Stosuje się stal nierdzewną 316L. Alex Berry wyjaśnia: “Oprócz ograniczeń geometrycznych, konwencjonalnie frezowane lub odlewane części mają kilka innych wad. Prototypowanie zajmuje dużo czasu i jest bardzo kosztowne. Druk 3D pozwala na bardzo szybkie i znacznie tańsze wytwarzanie prototypów. Potencjał dla projektów bionicznych, reprodukowalności, miniaturyzacji, a także redukcji liczby części i nakładów na montaż jest ogromny. Patrząc na pełne spektrum optymalizacji produkcji i projektowania produktów w połączeniu z zwiększeniem funkcjonalności, druk 3D ma potencjał do zrewolucjonizowania instrumentów medycznych.”