ایمپلنت‌های شخصی سازی ‌شده

چاپ زیستی سه بعدی تکنولوژی نو ظهوری است که به منظور طراحی و ساخت سازه‌های سلولی سه بعدی با هدف جایگزینی ارگان از دست رفته مورد استفاده قرار می‌گیرد. این فناوری‌ نه تنها شخصی سازی دستگاه‌های کاشتنی را با توجه به آناتومی، آسیب شناسی و خواص بیومکانیکی خاص بیمار امکان پذیر می‌کند، بلکه فرصت‌های جدیدی را در زمینه‌های مرتبط مانند آموزش جراحی، تشخیص کم تهاجمی، تحقیقات پزشکی و مدل‌های بیماری فراهم می‌کند.

چاپ سه بعدی فرآیند ساخت اشیاء سه بعدی از یک فایل دیجیتال است. امروزه از فن‌آوری‌های پیشرفته مانند اسکن توموگرافی (CT) و تصویربرداری رزونانس مغناطیسی (MRI) برای طراحی داربست‌های شخصی سازی شده متناسب با نقص هر بیمار استفاده می‌کنند. سپس طرح سه بعدی دیجیتال با استفاده از نرم افزار طراحی به کمک کامپیوتر (CAD) طراحی می‌شود. SolidWorks، Catia Designو 3-matic نمونه‌هایی از نرم‌افزارهای محبوب CAD هستند که به صورت تجاری در صنایع استفاده می‌شوند. طرح‌های سه بعدی در قالب فایل قابل خواندن توسط چاپگر سه بعدی ذخیره می‌شوند. STL (استریولیتوگرافی) و VRML (زبان مدل سازی واقعیت مجازی) رایج‌ترین فرمت‌های فایل ذخیره برای چاپگرهای سه بعدی هستند. نرم افزار اسلایسر (Slicer) فایل سه بعدی فرمت STL یا دیگر فرمت‌ها را گرفته و آنرا به لایه‌های جداگانه تبدیل می‌کند. نهایتا مواد بیولوژیکی، بیوشیمیایی و سلول‌های زنده به صورت لایه به لایه با ساختار فضایی مشابه بافت از دست رفته جهت ایجاد ساختار سه بعدی چاپ می‌شوند.

ملاحظات بالینی فرآیند طراحی داربست برای مهندسی بافت استخوان با در نظر گرفتن شرایط بالقوه بافت استخوان هدف آغاز می‌شود و تحت تأثیر عوامل مرتبط با نقص و شخص بیمار است. نقایص استخوانی به طور کلی به دو دسته ارتوپدی و جمجمه-صورت طبقه بندی می‌شوند. نقایص ارتوپدی در استخوان‌های بلند یا مهره‌های نخاعی رخ می‌دهند و معمولاً بارهای پیچشی و فشاری را تجربه می‌کنند. در مقابل، نقایص استخوان جمجمه-صورت به جز در مواردی که فک بالا، پایین و مفاصل گیج‌گاهی فک پایین را درگیر می‌کنند، تحت بار نیستند. همچنین در راهبرد مهندسی بافت استخوان برای استفاده در افراد مسن، باید اثرات پیری طبیعی بر ریزساختارهای استخوان و کاهش پتانسیل بازسازی مرتبط با سن را در نظر گرفت. مواد زیستی به کار گرفته شده برای استفاده در بیماران اطفال، به ویژگی‌های ساختاری پویایی نیاز دارند که با رشد مداوم اسکلت بیمار منطبق شوند. علاوه بر این جنسیت نیز بر ریزساختارها و اندازه کلی استخوان نیز اثر دارد. بنابراین در پرتو این تفاوت‌های ظریف، ساخت داربست‌های مهندسی بافت استخوان با توجه به نیازهای بیماران مختلف، تولید ایمپلنت‌های سفارشی و شخصی سازی شده را می‌طلبد. با ظهور فناورهای پیشرفته‌ی تولید همچون فناوری پیشرفته چاپ زیستی سه بعدی، فرآیندهای تولید از روش مرسوم به سمت فرایندهایی برای ارائه داربست‌های شخصی سازی شده تغییر کرده‌اند.

ترمیم و بازسازی نقایص فک و صورت، چه مادرزادی و چه اکتسابی، حتی برای مجرب ترین جراحان نیز چالش برانگیز است و دلیل این امر آناتومی پیچیده، انتظارات بیمار و منحصر به فرد بودن نقص است. از منظر عملکردی و زیبایی شناختی، برای جراحان ضروری است که به طور دقیق این نقص را به گونه‌ای ترمیم کنند که رضایت و رفاه بیمار را تضمین کند. پیوندهای اتوژن (Autogenous grafts) هنوز از نظر بسیاری به عنوان استاندارد طلایی برای بازسازی در نظر گرفته می‌شود. با این حال، آنها اغلب با یک تحلیل غیرقابل پیش بینی و نرخ عوارض ناحیه اهداکننده همراه هستند. ظهور تولید افزودنی، چاپ سه بعدی (سه بعدی) و پیشرفت‌های اخیر آن تأثیر مثبتی بر حوزه زیست‌پزشکی گذاشته و منجر به استفاده از ایمپلنت‌های خاص بیمار در ترمیم جراحی نقایص فک و صورت شده است. استفاده از ایمپلنت‌های شخصی سازی شده در مقایسه با ایمپلنت‌های از پیش ساخته شده، دقت بالاتر، سازگاری بهتر و زمان عمل کوتاه‌تری دارند.

مراحل طراحی و ساخت داربست‌های شخصی سازی شده

مراحل طراحی و ساخت داربست‌های شخصی سازی شده با کمک چاپگر زیستی سه بعدی شرکت امیدآفرینان مهندسی آینده.

الف) تصویربرداری سی‌تی‌اسکن از بیمار.

ب) مدل‌سازی ضایعه با استفاده از نرم‌افزار 3 matic.

ج) چاپ ایمپلنت شخصی‌سازی شده با استفاده از چاپگر زیستی bioFaB X2 شرکت امیدآفرینان مهندسی آینده.

د) تصویر داربست نهایی.

استفاده از داربست‌های PCL برای حفظ سوکت، از جمله آزمایش‌های موفق استفاده از این ایمپلنت‌ها در ناحیه‌ی فک بوده است. اولین آزمایش انسانی برای بازسازی استخوان فک با استفاده از ایمپلنت‌های سفارشی در سال 2015 ثبت شد. این مطالعات مسیر را برای ادامه تحقیقات جهت دستیابی به یک روش اختصاصی برای درمان عیوب استخوانی ناحیه فک روشن کرد. استفاده از ایمپلنت‌های PCL برای ترمیم استخوان ناحیه‌ی صورت شامل بخش‌های اوربیت و بینی می‌شود. در یک کار پژوهشی از مش‌های PCL برای درمان شکستگی اوربیت استفاده شد، که به نتایج مطلوبی از نظر عمکردی و زیبایی شناختی منجر شده است. در این کار، در 17 بیمار از 20 بیمار مورد بررسی، بهبود عملکرد تک‌بینی دو چشمی (Binocular single vision) مشاهده شد. همچنین، استفاده از مش‌های پرینت شده‌ی PCL در جراحی رینوپلاستی نشان‌ دهنده‌ی اثربخشی ایمپلنت تا 18 ماه، بدون عفونت و واکنش بدن به جسم خارجی بود. استفاده‌ی آسان و قابلیت جذب PCL در کنار نتایج مطلوب، موجب شد که استفاده از این مش‌ها به عنوان راهکاری ایمن و مؤثر در جراحی رینوپلاستی شناخته شود.

ترمیم ناهنجاری استخوان در ناحیه جمجمه (الف) با استفاده از ایمپلنت سفارشی از جنس PCL (ب). تصاویر قبل از عمل (ج) و 6 ماه پس از عمل (د) نشاندهندهی یکپارچگی ایمپلنت و استخوان است.

منابع

Rasperini, G., Pilipchuk, S. P., Flanagan, C. L., Park, C. H., Pagni, G., Hollister, S. J., & Giannobile, W. V. (2015). 3D-printed bioresorbable scaffold for periodontal repair. Journal of dental research, 94(9_suppl), 153S-157S.

Teo, L., Teoh, S. H., Liu, Y., Lim, L., Tan, B., Schantz, J. T., & Seah, L. L. (2015). A novel bioresorbable implant for repair of orbital floor fractures. Orbit, 34(4), 192-200.

Park, Y. J., Cha, J. H., Bang, S. I., & Kim, S. Y. (2019). Clinical application of three-dimensionally printed biomaterial polycaprolactone (PCL) in augmentation rhinoplasty. Aesthetic plastic surgery, 43, 437-446.

Korn, P., Ahlfeld, T., Lahmeyer, F., Kilian, D., Sembdner, P., Stelzer, R., … & Gelinsky, M. (2020). 3D printing of bone grafts for cleft alveolar osteoplasty–in vivo evaluation in a preclinical model. Frontiers in bioengineering and biotechnology, 8, 217.

Schantz, J. T., Lim, T. C., Ning, C., Teoh, S. H., Tan, K. C., Wang, S. C., & Hutmacher, D. W. (2006). Cranioplasty after trephination using a novel biodegradable burr hole cover: technical case report. Operative Neurosurgery, 58(1), ONS-E176.

Probst, F. A., Hutmacher, D. W., Müller, D. F., Machens, H. G., & Schantz, J. T. (2010). Calvarial reconstruction by customized bioactive implant. Handchirurgie, Mikrochirurgie, Plastische Chirurgie: Organ der Deutschsprachigen Arbeitsgemeinschaft fur Handchirurgie: Organ der Deutschsprachigen Arbeitsgemeinschaft fur Mikrochirurgie der Peripheren Nerven und Gefasse: Organ der V…, 42(6), 369-373.