3D Yazıcılar Sağlık Alanında Hangi Alanlarda Hangi Amaçla Kullanılır?

0

Doğrudan cihazınızda gerçek zamanlı güncellemeleri alın, şimdi abone olun.

Şu an 11 yaşında olan Mia Gonzales doğumunda “ÇİFT ARKUS AORTA” [1] adı verilen, nadir bir vasküler rahatsızlığa sahipti. Küçük kızın solunumu sıkıntılıydı ve hastalığın tek tedavisi cerrahi müdahaleydi. Ancak operasyon alanının bir yetişkine nazaran çok küçük olması ve damar yapısının tam olarak görülememesi büyük bir problem teşkil etmekteydi. Cerrahi müdahale öncesi planlama yapılması ve hangi damarların küçük kıza zarar vermeden bölüneceğine karar verilmesi gerekiyordu.

Görüntüleme teknikleri bir yere kadar işe yarıyordu ve ailenin doktoru sıra dışı yeni bir teknoloji kullanmaya karar verdi. Görüntüleme yöntemleriyle elde edilen iki boyutlu dilimler bir yazılım yardımıyla birleştirildi ve küçük kızın damar yapısı 3D olarak modellendi. Daha sonra dijital hale getirilen bu model Stratasys firmasının geliştirmiş olduğu, “Stereolitografi” metodu kullanan üç boyutlu yazıcısı yardımıyla polimer malzemeden üretildi.

Artık ellerinde küçük kızın damar yapısının birebir bir örneği olan cerrahlar gereken planlamayı kısa sürede gerçekleştirdiler ve küçük kız hızlı bir şekilde sağlığına kavuştu.

Üç boyutlu yazıcı teknolojisi 80’li yıllarda icat edildiği günden bu yana büyük atılımlar kaydetmiş, pek çok alanda olduğu gibi biyomedikal alanda da kendine geniş bir yer bulmuştur. Üç boyutlu yazıcıların teknolojileri ve çeşitleri büyük farklılıklar gösterse de teknolojinin temelinde dijital bir modelin, üst üste koyulan katmanlar yardımıyla üretilmesi yer almaktadır. Katmanlar vasıtasıyla üretilen modeller, geleneksel imalat yöntemleriyle üretilen parçalara göre çok daha karmaşık geometrilere sahip olabilmektedir.

Karmaşık geometrilerin, görece kısa zamanlarda ve ekonomik olarak üretilebilmesi ar-ge laboratuvarlarında, üniversitelerde ve sanayide prototip üretiminin hızlanmasına, eskiden 2 haftada üretilen prototiplerin birkaç saatte üretilebilmesine olanak sağlamıştır.

Konu üzerine çalışan bilim adamları MRI, CAT, PET veya benzeri bir görüntüleme yöntemlerinden elde edilen görüntülerden, üç boyutlu yazıcıların kullandığı 3D model dosyalarının çıkarılabileceğini fark etmiş ve sadece bu konu üzerine çalışan pek çok firma kurulmuştur. Geçmişte Türk basınında da geniş yer bulan görme engelli bir annenin, bebeğinin ultrason modelinden elde edilmiş kabartmasına dokunması ve bebeğini o şekilde görmesi bahsi geçen teknolojinin kullanımına iyi bir örnektir.

Biyomedikal alanda üç boyutlu yazıcılar kendilerine dört farklı alanda yer bulmuşlardır:

1. Operasyon öncesi planlama, cerrahi ön inceleme ve tıp öğrencilerinin eğitimi

Makalenin başında bahsedilen örneğe ek olarak; insan vücudunda cerrahların, ameliyat öncesi görüntülemek isteyecekleri pek çok durum mevcuttur. Ortopedi uzmanlarının çeşitli kırıkların ve kemik-eklem bozukluklarının modellerini görmesi tedavide hastanın rahatını ve iyileşme hızını olumlu etkilemektedir. Bazı durumlarda zorunlu olan keşif cerrahisi vb. invaziv prosedürlerin bir kısmı 3D modeller vasıtasıyla çözülebilirken, bazı tümör çeşitlerinin modellenmesi ve onları besleyen damarların ortaya çıkarılması onkoloji alanında önceden mümkün olmayan tedavilerin ve araştırma konularının önünü açmaktadır. 3D yazıcı yoluyla besi ortamına ekilen tümör hücreleri ise in vitro ortamda in vivo’ya benzer şekilde yapılar ve bağlantılar oluşturmakta, bu durum ise tıp alanındaki en büyük sorunlardan biri olan in vivo ve in vitro çalışmalar arasında bir köprü oluşturmaktadır.

Avustralya Monash Üniversitesi ise görüntüleme yöntemleri ile elde ettikleri insan vücudu modellerini jips benzeri bir toz yardımıyla 3D yazıcıda üretmişlerdir. Polimer bir yapıştırıcı kullanan bu yöntemin hassasiyeti yüksektir ve gerçeğe çok yakın modeller oluşturabilmektedir. Tıp öğrencilerine neredeyse gerçeğine birebir benzeyen modeller üzerinde eğitim vermeye başlamışlardır. Özellikle kadavra bulmadaki zorluk ve etik sıkıntılar bu çeşit yöntemlerle biraz da olsa aşılabilir.

2. Kalıcı ve biyoaktif olmayan implantlar

Dental ve ortopedik alanda kullanılan biyoaktif olamayan implantlar yerleştirildikleri bölgede genelde herhangi bir probleme yol açmaz ve çoğu zaman güvenle kullanılabilir. 3D yazıcılarda üretilen implantlar ise her hastanın ihtiyacına özeldir ve yüksek boyut hassasiyetine sahiptir. Yazıcıda üretilen implantlar geleneksel imalat yöntemlerine göre çok daha hızlı üretilir ve üretim devasa fabrikalar yerine küçük bir atölyede gerçekleştirilebilir.

Kemik içerisine yerleştirilen kalıcı implantlar kısa vadede herhangi bir sorun çıkarmasalar da uzun vadede kemik üzerinde olumsuz etkilere sahiptir. Kemik ve implantın dayanımları ve esneklikleri farklıdır ve implant üzerine gelen kuvvetler doğrudan kemiğe iletilir. İki farklı parça gibi davranan implant ve kemikten zayıf olanı, ki bu her zaman kemiktir, zarar görmeye başlar ve çeşitli sorunlar ortaya çıkar [2].

Araştırmacıların geliştirmiş olduğu kemik yapısını ve mekanik özelliklerini taklit edebilen implantlar aktif olarak kullanılmaya başlanmıştır. Gasso et al. [3] yapmış oldukları çalışmada 20 yaşındaki bir IIB evre osteosarkoma hastasına uzuv kurtarma amaçlı bir diz implantı yerleştirmişlerdir. Hastaya özel olarak imal edilen implant sayesinde hasta 10 ay içerisinde diz ekleminde 0-110° hareket kabiliyetine sahip olmuş ve acı duymadan tüm ağırlığını dizi üzerine verebilmiştir.

Yukarıda örnek verilen makro düzey etkilere ek olarak implant yüzeylerinin modifiye edilmesi de mümkündür. İmplant yüzeyinde yazıcı aracılığıyla yaratılan boşluklar kemik hücrelerinin büyüyebilmesi ve implantı sarabilmesi için uygun bir iskele oluşturur, hastanın iyileşme süresi ve hayat kalitesi yükseltilebilir.

Yapılan çalışmalar [4] bakteriyel enfeksiyonların en tehlikeli şeklinin bakteri biyofilmi oluşumu olduğunu göstermiştir. Antibiyotiklerin ve diğer tedavilerin etkinliği biyofilm varlığında azalmaktadır. Yapısı gereği boşluklu olan ve enfeksiyon tehlikesi arz edebilen 3D yazıcı ile üretilmiş implantlar, [5] numaralı kaynakta da görülebileceği üzere yüzeye bakteri tutunmasını %90 oranında azaltabilen bir yöntemle enfeksiyonlara karşı güvenli hale getirilebilmektedir.

3. Yerel biyoaktif ve biyobozunur hücre iskelesi imalatları, doğrudan doku üretimi

Yeni organ ve doku üretiminde kullanılan ve hücre iskelesi olarak adlandırılan yapılar hücrelerin çoğalabilmesi ve üreyebilmesi için ideal besi ortamı sağlama amaçlı kullanılmaktadır. Araştırmacılar [6] iskeleler içerisinde katmanlar ve bu katmanlar içerisinde mikro vasküler kanallar açtıklarında üretilen dokuların çok daha sağlıklı olduğunu ve bahsi geçen kanalların hücrelerin ihtiyacı olan besin ve oksijeni taşımakta başarılı olduğu kadar hücredeki istenmeyen atıkların uzaklaştırılmasında da etken rol oynadığını keşfetmişleridir.

Bahsi geçen mikro vasküler kanallara sahip hücre iskeleleri, evlerde bile kullanılabilecek basitlikte ekonomik bir 3D yazıcıdan üretilebilmektedir. 

Hücre iskeleleri doku imalatı için bir çözüm olsa da dokuları doğrudan yazdırmak çok daha büyük bir potansiyel taşımaktadır. Doku yazdırmadaki en büyük problem kan damarlarının doğru yerlere yerleştirilmesidir. Bu nedenle araştırmacılar kan damarları imalatına yoğunlaşmışlardır. Michigan Üniversitesi’nde araştırmacılar [7] çeşitli destek malzemeleri kullanarak doku yazdırmanın yanı sıra 3mm boyutunda kan damarlarını da yazdırmayı başarmışlardır.

4. Ekonomik ve ölçeklenebilir hareketli protezler

El, ayak vb. protezler eski çağlardan beri üretilmekte ve kullanılmakta olan gereçlerdir. İlk önceleri ahşap kullanılarak yapılan protezler günümüzde çok daha modern malzemelerden üretilmektedir. Pek çok araştırmacı, ekonomik getirisi sebebiyle yeni protezler üzerinde çalışmaktadır. Biyomedikal sektörünün büyük bir parçasını oluşturan protezler her yıl sağlık sektöründe milyonlarca liralık gider kalemi oluşturmaktadır.

Ancak protezler ne kadar gelişmiş ve pahalı olursa olsun çocuklara kısıtlı bir biçimde uygulanabilir. Çocuklar özellikle de 15 yaşından küçük olanlar, hızlı şekilde büyüme eğilimindedir. Her çocuk sahibinin bildiği üzere 6 ayda bir ayakkabılar küçülür, pantolonlar kısalır. Protezler de bu kuralın maalesef dışında kalamaz. Amniyotik bant sendromu, kazalar vb. durumlar sebebiyle engelli duruma gelen çocuklar, her yıl yeni proteze ihtiyaç duyarlar. Piyasadaki mevcut ve hareketli protezlerin fiyatı göz önün alındığında, pek çok çocuk için vücuduna tam oturan protez sahibi olmak hayaldir.

Bu durum 3D yazıcılar kullanılmaya başlandığında tamamen ortadan kalkmıştır. 3D yazıcılarda üretilen protezlerin maliyeti ülkemizde 10-20 doları geçmemektedir ve çoğu zaman gönüllüler ücretsiz olarak ihtiyaç olan protezleri üretmektedir. Çocukların engeline göre şekillendirilebilen, vücuduna tam oturan, hafif, ekonomik ve kavrama hareketini tam olarak sağlayabilen bu cihazlar çocuk büyüdüğünde minimum mühendislik ve maliyetle büyütülebilmektedir. Tek yapılması gereken yazılımdaki SCALE/ÖLÇEK parametresinin 1 değeri yerine 1,05 girilmesidir. Bu şekilde %5 daha büyük ölçüde imalat gerçekleştirilebilmektedir. Aşağıdan National Geographic’in konu hakkındaki 3,5 dakikalık belgeselini izleyebilirsiniz.

3D yazıcılar biyomedikal alanında sessiz bir devrim yaratmaktadır. Tıp doktorları ve mühendisler bu konuda ortak çalışmakta ve yeni tedavi yöntemleri dünya çapındaki tüm araştırma kurumlarında geliştirilmektedir. Sadece ABD’de 2019 yılında 100’den fazla hastanede 3D yazıcı atölyeleri kurulduğu düşünülürse, ülkemizde de acil bir şekilde merkez hastanelerde bu tip merkezlerin kurulması ve araştırmaların yapılması şarttır.

[1] M. D. Aybar, A. Babayi̇Ği̇T, ve T. Öner, “Yenidoğanda Vasküler Kaynakli Ender Görülen Bir Solunum Sikintisi Nedeni: Çift Arkus Aorta”, Namık Kemal Tıp dergisi, s. 4.

[2] Abdulsalam A. Al-Tamimi, Paulo Rui Alves Fernandes, Chris Peach, Glen Cooper, Carl Diver & Paulo Jorge Bartolo (2017) Metallic bone fixation implants: a novel design approach for reducing the stress shielding phenomenon, Virtual and Physical Prototyping, 12:2, 141-151, DOI:10.1080/17452759.2017.1307769

[3] O. Galasso, M. Mariconda, A. Brando, ve B. Iannò, “Disassembly of a Distal Femur Modular Prosthesis After Tumor Resection”, The Journal of Arthroplasty, c. 25, sy 2, s. 334.e5-334.e9, Şub. 2010, doi: 10.1016/j.arth.2008.10.011.

[4] S. Sánchez-Salcedo, M. Colilla, I. Izquierdo-Barba, ve M. Vallet-Regí, “Preventing bacterial adhesion on scaffolds for bone tissue engineering”, International Journal of Bioprinting, c. 2, sy 0, Oca. 2016, doi: 10.18063/IJB.2016.01.008.

[5] S. Sánchez-Salcedo, M. Colilla, I. Izquierdo-Barba, ve M. Vallet-Regí, “Design and preparation of biocompatible zwitterionic hydroxyapatite”, J. Mater. Chem. B, c. 1, sy 11, s. 1595, 2013, doi: 10.1039/c3tb00122a.

[6] J. An, J. E. M. Teoh, R. Suntornnond, ve C. K. Chua, “Design and 3D Printing of Scaffolds and Tissues”, Engineering, c. 1, sy 2, ss. 261-268, Haz. 2015, doi: 10.15302/J-ENG-2015061.

[7] V. Mironov, “Organ printing: from bioprinter to organ biofabrication line”, Current Opinion in Biotechnology, s. 7, 2011.

Doğrudan cihazınızda gerçek zamanlı güncellemeleri alın, şimdi abone olun.

Yorum Yapın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak.