Применение аддитивных технологий для изготовления краниоимплантатов

Application of additive technologies for the manufacture of cranioimplants

 

Авторы:

Пелешок Степан Андреевич

ВМА имени С.М. Кирова, Санкт-Петербург, Россия

Peleshok Stepan Andreevich

S.M. Kirov Military Medical Academy, St. Petersburg, Russia

Панферов Михаил Андреевич

ВМА имени С.М. Кирова, Санкт-Петербург, Россия

e-mail: misch.panferov2011@yandex.ru

Panferov Mikhail Andreevich

S.M. Kirov Military Medical Academy, St. Petersburg, Russia

e-mail: misch.panferov2011@yandex.ru

Павлов Алексей Алексеевич

ВМА имени С.М. Кирова, Санкт-Петербург, Россия

Pavlov Aleksey Alekseevich

S.M. Kirov Military Medical Academy, St. Petersburg, Russia

Аннотация: 3D-печать в медицине все чаще находит свое практическое применение, что открыло новые возможности в хирургии черепа. Краниоимплантаты, изготовленные с применением аддитивных технологий, являются распространённым средством для пациентов с травмами лица и головы. Технологии аддитивного изготовления моделей обеспечивают дешевое и доступное производство краниоимплантатов, тогда как информационная модель краниоимплантата, выполненная в CAD-программах, позволяет изготовить имплантат с высокой точностью.

Abstract: 3D printing in medicine is increasingly finding its practical application, which has opened up new opportunities in skull surgery. Cranioimplants made using additive technologies are a common tool for patients with facial and head injuries. The technologies of additive manufacturing of models provide cheap and affordable production of cranioimplants, while the information model of a cranioimplant, made in CAD programs, makes it possible to manufacture an implant with high accuracy.

Ключевые слова: 3D-печать, аддитивные технологии, краниоимплантат, имплантат.

Keywords: 3D printing, additive technologies, cranioimplant, implant.

Тематическая рубрика: Медицина и психология.

 

ВВЕДЕНИЕ.

Травма головы считается одной из наиболее распространённых зон повреждений в травматологии и составляет 7% от других частей тела.

В наши дни 3D-печать все чаще находит свое применение в таких областях медицины, как челюстно-лицевая хирургия, стоматология, нейрохирургия травматология и ортопедия. Трехмерная печать является формой аддитивного производства, при котором трехмерный объект создается путем последовательного нанесения материала тонкими слоями. Альтернативой          аддитивным технологиям для изготовления краниоимлантатов является механическая деформация титановых пластин. Очевидными преимуществами аддитивных технологий над механическим изготовлением моделей выделяют снижение затрат, формирование сложной геометрии, ускоренный процесс изготовления, а установка заранее изготовленных краниоимплантатов позволяет минимизировать рубцы в зоне установки изделия.

Целью данной работы является рассмотрение метода производства краниоимплантатов с использованием аддитивных технологий. Актуальность данной работы заключается в перспективе развития аддитивных технологий в медицинской отрасли.

МЕТОДЫ И РЕАЛИЗАЦИЯ.

Технологию создания краниоимплантатов можно условно разделить на 3 основных этапа: Получение данных изображения, Цифровая обработка изображения и трехмерная печать. Подробная схема технологии представлена на рисунке 1.

Рис.1 – Схема технологии изготовления краниоимплантатов

На первом этапе разработки краниоимплантата выполняется сборка первичных данных для формирования его модели. Наиболее распространённым методам получения исходных данных для создания 3D-модели является КТ. КТ является оптимальным видом сканирования, позволяя получить изображения с явным разделением мягких тканей и костей. Толщина среза при выполнении компьютерной томографии должна составлять не менее 1 мм [1]. Подготовка 3D-модели поврежденного участка зачастую требует применение слайсеров, обрабатывающих изображение КТ.

Полученная 3D-модель в ходе медицинского обследования головы импортируется в ПО для последующего формирования модели краниоимплантанта.

Рис. 2 – Основные способы получения первичных данных: а) КТ б) виртуальный донор

На втором этапе производится моделирование в CAD программах краниоимплантата, его креплений, происходит формирование его будущего дизайна. Для разработки краниоимплантатов часто применяют следующие программы: Blender, 3D’s MAX, Geomadgic Freeform Plus, Компас 3D, Autodesk MeshMixer, SolidWorks [3]. Интероперабельность перечисленных программ, позволяет использовать CAD-программы в связке для решения задач по моделированию краниоимплантатов.

Рис. 3 – Процесс моделирования краниоимплантанта в ПО Geomadgic Freeform Plus.

На 3 этапе производится импорт 3D-модели протеза в слайсер для создания задания 3D-принтера на печать. Импортируемая модель размещается на виртуальном столе, задаются настройки, учитывающие характеристики принтера и тип печатающего материала. После чего слайсер нарезает модель на слои и подготавливает файл-задание для 3D-принтера в формате GCode.

Стоит учитывать метод процесса печати будущего имплантата. Это напрямую влияет на тип используемого материала, принцип подготовки задания для принтера, а также контроль за печатью. Зачастую способы 3D-печати классифицируют по типу наращивания слоев:

1. Плавление в порошковом слое (powder bed fusion (PBF)).

а) Селективное лазерное плавление (selective laser melting (SLM), также известное как, direct metal laser sintering (DMLS), selective laser sintering (SLS), direct metal printing (DMP), laser powder bed fusion (LPBF)).

б) Электронно-лучевая плавка (electron-beam melting ЕВМ).

2. Прямое нанесение энергии (direct energy deposition (DED)).

а) DED на основе порошка (другие названия: laser material deposition (LMD), blown powder).

б) DED на основе проволоки (другое название: electron beam additive manufacturing (EBAM).

3. Струйная печать порошком со склеиванием его связующим материалом (binder jetting).

4. Экструзия связанного порошка (bound powder extrusion (BPE), также известна как atomic diffusion additive manufacturing (ADAM), bound powder deposition (BPD)).

5. Печать методом ламинирования (laminated object manufacturing (LOM)) осуществляется последовательным нанесением тонких слоев, вырезанных из металлической фольги по заданной форме с последующим склеиванием.

6. Аддитивное производство дуговой сваркой (wire arc additive manufacturing (WAAM)) осуществляется плавлением металлической проволоки с одновременным нанесением полученного подплавленного материала на рабочую платформу, которая, как правило, приводится в движение для получения изделий с осью вращения

Наиболее распространенным и экономичным методом 3D-печати титаном для изготовления краниоимплантатов доступным в настоящее время, является селективное лазерное спекание (SLS – Selective laser sintering). Материал, используемый для печати методом SLS, спекается мощным лазером в прочную структуру на основе 3D-модели [3].

Результатом работы слайсера является GCode-файл, который в дальнейшем направляется на 3D-принтер для выполнения печати краниоимплантата. Печать имплантата должна производиться под наблюдением оператора, ответственного за контроль оборудования. Материалом для печати краниоимплантата был выбран Ti-6AL-4V в виду биодоступности и распространённости. Также в медицинских целях регулярно используют следующие типы сплавов титана:

·       Ti–35Nb–5Ta–7Zr

·       Ti–29Nb–13Ta–4.6Zr

·       Ti–24Nb–4Zr–8Sn (Ti2448)

·       NiTi , NiTiCu, NiTiNb

·       Ti8Al1Er, TC11, TC21 и Ti5553

·       Ti-5Al2Sn (ВТ 5-1)

·       Ti-2.5Al-5Mo-5V (ВТ 16)

·       Ti-5Al-7Nb

·       Ti-53Nb

Рис. 4 – Печать краниоимплнтанта на 3D-принтере

После завершения работы принтера напечатанные детали подвергаются обработке. Обработка деталей напрямую зависит от типа применяемого материала и способа его печати. Выделяют следующие виды обработки титановых изделий:

1. Механический - Пескоструйная обработка с крупной зернистостью и кислотное травление для получения микроям; микрообработка для получения элементов микромассива; лазерная обработка для получения массива микроям.

2. Химические методы - Кислотное травление, гидротермальная обработка для получения наносети или нанопроволок.

3. Электрохимические методы - Микродуговое окисление для получения микроям; анодное окисление для получения нанотрубок.

4. Физические методы - Физическое осаждение из паровой фазы и плазменное напыление для получения покрытий графена, гидроксиапатита или металла.

Рис. 5 – Готовое изделие.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Применение аддитивных технологий при разработке краниоимплантатов является универсальным средством, позволяющим быстро и эффективно, с минимальными затратами на материалы и высокой точностью готового изделия разработать необходимые медицинское оснащение для пациентов с травмами головы. В рамках текущей работы был получен титановый имплантат, успешно внедренный пациенту в рамках проведения операции.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Crowley C, Birchall M, Seifalian AM. Trachea transplantation: from laboratory to patient. J Tissue Eng Regen Med 2014; 9: 357–67.

2. Методические рекомендации по трехмерному моделированию и печати в военно-медицинских организациях.

3. Хоминец В.В. 3D-печать шин и лонгет для иммобилизации переломов костей и предплечья: методические рекомендации / В.В. Хоминец, С.А. Пелешок, М.В. Титова, Д.А. Волов, И.А. Юшин. – СПБ.: Историческая иллюстрация, 2021. – 36с.: ил.