Ihmisen varaosia 3D-tulosteena

Tutkija Mika Salmen työ­huoneen kirjahyllyä Aalto-yliopiston koneenrakennustekniikan laitoksella koristaa rivi pääkalloja.

– Yksi väitöskirjani artikkeleista käsitteli lääketieteellisten mallien valmistuksessa käytettävien 3D-valmistusmenetelmien tarkkuutta, Mika Salmi selvittää.

3D-tulosteet ovat jo sairaanhoidon arki­päivää leikkaussaleissa. Kirurgit suunnittelevat esimerkiksi vaativia kalloleikkauksia etukäteen, työkaluinaan 3D-valmistetut mallit leikattavan potilaan pääkallosta.

– Se on ollut valtava edistysaskel ja hyvä osoitus 3D-valmistustekniikan hyödyistä lääketieteessä, Mika Salmi sanoo.

Yli 20 vuotta sitten kehitetyt materiaalia lisäävät valmistusmenetelmät ovat viime vuosina saaneet valtavasti mediahuomiota. Kotikäyttöön sopivat, kuumaa PLA- ja ABS-muovia ohuina kerroksina pursottavien 3D-tulostimien hinnat ovat romahtaneet tuhannen euron tietämille.

Kotitulostimien Fused Deposition Modeling (FDM) -teknologia ja muovimateriaalit ovat vain kalpea aavistus teknologian mahdollisuuksista. Alan asiantuntijat puhuvat mieluummin materiaalia lisäävästä valmistuksesta kuin 3D-tulostusksesta.  Erilaisia pikavalmistus­menetelmiä ja -materiaaleja on kymmeniä. Monet teollisuudessa käytetyistä menetelmistä ovat siirtymässä myös lääketieteen käyttöön.

Mika Salmen kallorivi antaa kuvan alan teknologiakirjosta. Maallikko näkee kipsikomposiitista, polyamidista tai valokovettuvista materiaaleista valmistettujen kallojen välillä vain pienen värieron. Tutkijoita sen sijaan kiinnosti eri valmistusmenetelmien mittatarkkuus. Kun suunnitellaan esimerkiksi hermojen leikkauksia, potilaasta otettujen magneettikuvien tai tietokonetomografian perusteella luodun 3D-mallin ja -tulosteiden on vastattava todellisuutta millintarkasti.  

Kirurgeille ja hammaslääkäreille varaosien asentaminen potilaiden elimistöön on arkipäivää. Leikkausten suunnittelussa käytetyt 3D-tulosteet potilaan selkärangasta tai kallosta ovat kuitenkin vasta ensimmäinen askel uuden teknologian hyödyntämisessä. Esi­merkiksi suuri osa potilaskohtaisista implanteista valmistetaan edelleen käsityönä, tai käytetään vakiokokoisia ja -muotoisia implantteja.

Insinööri leikkaussalissa

Salmi tutki väitöstyössään, voisiko kirurgien ja hammaslääkärien käsityötä korvata 3D-valmistusmenetelmillä. Nykyisin kirurgi paitsi leikkaa, myös toimii metalliseppänä rakentaessaan leikkauksessa tarvittavat potilaskohtaiset implantit käsin. Väitöstutkimuksen perusteella käsityötä tarkemmat implanttien 3D-valmistusmenetelmät toimivat hyvin myös leikkaussalioloissa.  

Väitöstyön tärkein tutkimuspaperi syntyi jo vuonna 2009. DI Mika Salmi oli tuolloin läsnä leikkaussalissa seuraamassa auto-onnettomuuden uhrin kalloleikkausta.
Jännitykseen oli aihetta, sillä Salmella oli tärkeä rooli operaatiossa. Hän oli suunnitellut implantin, jolla korjattiin potilaan silmäkuopan onnettomuudessa vaurioitunut pohja.

Peruna­lastun paksuinen luu oli murskana, eikä potilaalle asennettu tekosilmä pysynyt oikealla paikallaan.

– Vastaavissa leikkauksissa lääkäri muovailee yleensä tukiverkon vammautuneen silmäkuopan pohjalle leikkauksen aikana, Salmi
kertoo.

Tutkijat sen sijaan valmistivat varaosan etukäteen. Varsinaista leikkausta edelsi monta työvaihetta, joissa Aallon tutkijat kokeilivat 3D-mallinnuksen ja valmistuksen toimivuutta yhdessä lääkärien kanssa. Vaurioitunut kallon osa tehtiin käsityön sijasta 3D-valmistusmenetelmällä.

3D-kuvantamismenetelmistä apua

Nykyaikaiset kuvantamismenetelmät ovat tärkeässä roolissa, kun ihmisen varaosia valmistetaan tietokoneavusteisesti. Digitaalisista magneetti- ja tietokonetomografiakuvista voidaan luoda 3D-malleja potilaan luustosta ja elimistä.

Mika Salmi esittelee tietokoneensa näytöllä potilaan kallon 3D-mallia ja siihen suunnittelemaansa varaosakappaletta. Varaosa istuu täydellisesti kallon rikkoutuneen luun muotoihin.

– Implantti on verkkomainen, jotta ympäröivät kudokset ja verisuonet pääsevät kasvamaan sen läpi.

Kun sekä insinöörit että hoitavat lääkärit olivat tyytyväisiä 3D-mallinnusohjelmalla suunnitellun varaosan designiin, annettiin varaosakappaleen valmistus EOSINT M270 -lasersintrauskoneen tehtäväksi. Yli puolen miljoonan euron hintainen laite valmisti implantin titaanista – huomattavasti kirurgin kättä tarkemmin.

– Kokeilimme implantin istuvuutta vielä ennen leikkausta potilaan kallon mukaan polyamidista valmistetun 3D-mallin avulla.

Pilottileikkaus onnistui

Leikkaus sujui hyvin. Salmi näyttää ruudulla leikkauksen jälkeen otettuja tietokonetomografiakuvia potilaan kallosta.

– Implantti on selvästi siellä mihin se on suunniteltukin.

Myös potilas oli hoitavien lääkärien mukaan tyytyväinen leikkaukseen. Luuhun pysyvästi ruuvattu titaani-implantti pitää aiemmin silmäkuoppaan vajonneen teko-silmän nyt kohdallaan.

Viisi vuotta sitten tehty leikkaus oli yksi maailman ensimmäisiä lajissaan, kertoo Salmi. Nyt vastaavia leik­kauksia tehdään paljon.

Mika Salmi kollegoineen on kokeillut uusia pikavalmistusmenetelmiä myös hammaslääkärien kotikentällä.

– Hammaslääketieteessä käytettyjä suukojeita valmistavat hammasteknikot, pääasiassa käsityönä hammaslaboratoriossa.

3D-valmistus korvaa käsityön

Purentavikojen hoidossa käytetään purentakiskoja, jotka estävät narskuttelemasta hampaita öisin.

– Kun nämä tehdään hammaslaboratoriossa käsityönä, valmistaminen kestää pitkään, kiskot ovat melko kalliita, eivätkä ne aina toimi suussa suunnitellusti.

Tutkijoiden 3D-valmiste toimi hyvin suussa, ja ennen kaikkea vähensi valmistuksen työvaiheita dramaattisesti.

– Se taisi olla maailman ensimmäinen 3D-valmistettu purentakisko, Salmi toteaa.

Uusinta uutta lääketieteessä ovat pikavalmistus­menetelmät ja -materiaalit, jotka sulautuvat osaksi ihmisen omia kudoksia. Uusista materiaaleista voi muotoilla esimerkiksi tukirakenteita, jotka poistuvat vähitellen elimistöstä luonnollisen kudoksen kasvaessa sen tilalle.

– Mutta se, että tämä olisi arkipäivää sairaaloissa, on vielä kaukana.

Kenen kannattaa lukea Salmen väitöstyö?

– Suosittelen sitä kaikille lääkäreille. Se voi avata aivan uusia ideoita lääketieteellisistä sovelluksista.

Entä miltä tuntui valmistaa varaosa oikealle potilaalle?

– Silloin sitä ei tullut ajatelleeksi, mutta jälkikäteen ajateltuna se on kyllä aika jännittävä asia.