Revolusi Implant Tulang: Bagaimana Cetak 3D Meningkatkan Kesesuaian, Ketahanan, dan Performa

[Image credit: Health Canada]
 
Menciptakan implant tulang yang lebih pas, lebih tahan lama, dan berperforma lebih tinggi adalah pencarian yang berkelanjutan bagi ortopedis dan bedah yang sama. Pencetakan 3D memberikan kontribusi besar terhadap kemajuan di bidang ini.
 
Teknologi ini memungkinkan pabrikan implant untuk menciptakan implant dengan fungsi yang ditingkatkan dan lebih dipersonalisasi sesuai kebutuhan spesifik pasien. Selanjutnya, pencetakan 3D membuka pintu untuk implant yang dipersonalisasi yang dapat dibuat di titik perawatan.
 
Minggu ini, kami melanjutkan seri 3D Printing Application Spotlight dengan melihat penggunaan pencetakan 3D untuk implant medis, serta manfaat dan aplikasi saat ini teknologi ini.
 
Lihat aplikasi lain yang dibahas dalam seri ini:
 
3D Printing for Heat Exchangers
 
3D Printing for Bearings
 
3D Printing for Bike Manufacturing
 
3D Printing for Digital Dentistry & Clear Aligner Manufacturing
 
3D-Printed Rockets and the Future of Spacecraft Manufacturing
 
3D Printing for Footwear Manufacturing
 
3D Printing for Electronic Components
 
3D Printing in the Rail Industry
 
3D-Printed Eyewear
 
3D Printing for End-Part Production
 
3D printing for Brackets
 
3D Printing for Turbine Parts
 
How 3D Printing Enables Better-Performing Hydraulic Components
 
How 3D Printing Supports Innovation in the Nuclear Power Industry
 

Pasar pencetakan 3D medis pada tahun 2019

 
Implant ortopedi — perangkat medis yang digunakan secara bedah untuk mengganti sendi atau tulang yang hilang — adalah salah satu peluang yang ditawarkan pencetakan 3D kepada industri medis.
 
Pasar ortopedi pencetakan 3D dinilai senilai $691 juta pada tahun 2018 dan diproyeksikan oleh SmarTech Analysis untuk tumbuh menjadi pasar senilai $3,7 miliar pada tahun 2027.
 
Meskipun manufaktur implant adalah aplikasi yang cukup baru untuk pencetakan 3D — pertama kali digunakan sekitar tahun 2007 — telah mengalami pertumbuhan cepat dalam satu dekade terakhir.
 
Pada tahun 2010, adopter awal teknologi pencetakan logam Electron Beam Melting (EBM) Arcam menerima persetujuan FDA pertama untuk implant cetak 3D. Tujuh tahun kemudian, lebih dari 300 printer 3D di seluruh dunia memproduksi produk ortopedi.
 
Saat ini, teknologi digunakan untuk membuat pengganti sendi pinggang dan lutut, implant rekonstruksi kranial, dan implant tulang belakang. Per 2019, diperkirakan lebih dari 600.000 implant diproduksi dengan bantuan pencetakan 3D. Pada 2027, angka ini diproyeksikan melebihi 4 juta.
 
Dengan peluang pertumbuhan yang begitu besar, tidak mengherankan bahwa semua produsen perangkat medis besar semakin mengadopsi teknologi pencetakan 3D.
 
Stryker, salah satu perusahaan teknologi medis terbesar di dunia, baru-baru ini meluncurkan implant cetak 3D miliknya sendiri, termasuk Tritanium TL Curved Posterior Lumbar Cage cetak 3D. Implant tulang belakang berongga ini menerima persetujuan FDA pada Maret 2018.
 
Sebelum Stryker, produsen perangkat ortopedi terkemuka lainnya seperti DePuy Synthes, anak perusahaan Johnson & Johnson, dan Medtronic berinvestasi besar-besaran dalam pencetakan 3D. Terakhir meluncurkan platform pencetakan 3D, TiONIC Technology, pada Mei 2018, dengan tujuan memungkinkan desain yang lebih kompleks dan teknologi permukaan terintegrasi untuk implant bedah tulang belakang.
 
Selain produsen perangkat medis yang berdiri teguh, startup medis juga telah muncul dalam satu dekade terakhir, mengembangkan pendekatan proprietary untuk implant ortopedi cetak 3D.
 
Di antaranya adalah perusahaan seperti Osseus Fusion Systems, Nexxt Spine, 4WEB Medical dan SI-BONE. Beberapa produk dari perusahaan ini telah menerima persetujuan FDA dan telah digunakan untuk mengobati pasien dengan sukses.
 
Jelas, telah terjadi trajetur ke atas untuk implant cetak 3D dalam satu dekade terakhir. Tapi apa yang membuat teknologi ini begitu berguna untuk implant medis?
 

Manfaat implant cetak 3D

Fleksibilitas desain

 
Dengan pencetakan 3D, desain kompleks dapat dibuat yang akan sulit dicapai dengan teknologi tradisional. Pabrikan implant dapat menggunakan manfaat ini untuk memproduksi implant dengan fitur desain yang rumit seperti struktur trabecular.
 
Tulang trabecular adalah salah satu dari dua jenis jaringan tulang yang ditemukan di tubuh manusia. Memiliki struktur pori yang berpori yang dapat sulit ditiru dalam implant. Tradisional, pabrikan implant menggunakan lapisan khusus untuk menciptakan struktur trabecular pada implant. Namun, ini membawa risiko delaminasi dan kegagalan implant.
 
Dengan pencetakan 3D, sebaliknya, implant dengan struktur trabecular dapat diproduksi secara langsung, sehingga melewati proses pelapisan. Yang lebih penting, struktur trabecular pori yang terintegrasi ke dalam implant cetak 3D menciptakan implant yang lebih kuat dengan risiko delaminasi yang lebih rendah.
 
Fleksibilitas desain seperti ini ditawarkan oleh teknologi pencetakan logam 3D seperti Selective Laser Melting atau Electron Beam Melting. Teknologi ini menerapkan sumber energi kuat seperti laser (SLM) atau sinar elektron (EBM) pada lapisan tipis bubuk biokompatibel seperti titanium.
 
Dengan mengulangi proses ini pada ratusan lapisan, mungkin untuk menciptakan implant kompleks yang akan menyesuaikan struktur tulang manusia dengan jauh lebih efisien dibandingkan implant yang dibuat secara tradisional.
 
Manfaat signifikan lain dari implant cetak 3D pori adalah peningkatan osseointegration.
 
Osseointegration adalah proses yang memungkinkan implant menjadi bagian permanen tubuh. Struktur trabecular pori memungkinkan tulang tumbuh di dalam pori, memperkuat ikatan antara implant dan tulang yang ada.
 

Reduced stress shielding

 
Selain itu, produsen perangkat medis dapat merancang implant yang meniru kekakuan dan kepadatan tulang pasien. Selain meningkatkan osseointegration, implant cetak 3D dapat mengurangi stress shielding dan lebih meningkatkan fungsi fisik.
 
Stress shielding merujuk pada fenomena di mana implan logam menghilangkan stres yang biasa dari tulang pasien. Hasilnya adalah penurunan kepadatan tulang, yang menyebabkan tulang menjadi lebih lemah. Stress shielding dapat menyebabkan fraudur dan dislokasi. Untuk alasan ini, merancang implant se dekat mungkin dengan jaringan tulang pasien adalah kunci untuk mengurangi stress shielding dan menghilangkan efek tidak diinginkan ini.
 
Dalam contoh terbaru ini, perusahaan IT, Altair, menggabungkan pencetakan 3D dan perangkat lunak optimasi topologi untuk menciptakan implant stem pinggang yang ditingkatkan.
 
Dengan memasukkan parameter seperti ukuran, berat, dan beban yang diharapkan yang akan ditanggung implant, perangkat lunak optimasi topologi digunakan untuk menciptakan desain baru untuk implant pinggang. Desain yang dioptimalkan mendistribusikan stres dan strain dengan cara yang lebih efisien dibandingkan implant generik.
 
Selain itu, perangkat lunak optimasi topologi membantu menentukan di mana material dapat diganti dengan struktur lattice untuk membuat implant lebih ringan.
 
Saat diuji, implant yang dioptimalkan menawarkan pengurangan stress shielding sebesar 50,7%. Pada saat yang sama, batas tahanannya meningkat menjadi sekitar 10 juta siklus. Ini berarti implant pinggang dapat menahan jogging dari Los Angeles ke New York dan kembali — dua kali.
 

3D printing patient-specific implants

Dalam kasus yang lebih kompleks, implant off-the-shelf seringkali tidak dapat memberikan fleksibilitas yang diperlukan. Pencetakan 3D dapat membantu dalam kasus seperti ini, menawarkan kemampuan untuk menyesuaikan dan mempersonalisasi perangkat medis, termasuk implant.
 
Untuk menghasilkan implant spesifik pasien, produsen menggunakan data yang diperoleh dari pemindaian pasien, seperti pemindaian tomografi komputer (CT) atau resonansi magnetik (MRI). Data pasien kemudian diimpor ke CAD, disiapkan untuk produksi, dicetak 3D dan difinisikan.
 
Menggunakan implant cetak 3D kustom menawarkan potensi untuk waktu operasi yang berkurang dan kesiapan implant yang lebih baik.
 
Saat ini, pencetakan 3D dapat digunakan untuk membuat implant kranial dan rahang kustom di mana persyaratan estetika sama pentingnya dengan fungsionalitas.
 
Misalnya, seorang anak Tionghoa berusia 10 tahun menerima implant rahang cetak 3D pada tahun 2018. Dia memiliki tumor di rahang yang tidak dapat diangkat tanpa menyebabkan deformasi wajah yang signifikan.
 
Tim bedah menyimpulkan bahwa rekonstruksi wajah konvensional terlalu berbahaya untuk pasien muda ini. Mencari solusi yang lebih baik, mereka beralih ke pencetakan 3D, menggunakan model digital rahang anak untuk merancang implant titanium kustom yang sempurna disesuaikan.
 
Menurut para bedah, implant rahang mudah dipasang karena didasarkan pada anatomi pasien. Tiga bulan setelah prosedur, implantasi terbukti berhasil, dengan rahang yang rata dan sejumlah besar jaringan tumbuh.
 

3 contoh implant cetak 3D

A 3D-printed hip implant enables extreme mountain climbing

 
Romano Benet dan istrinya, Nives Meroi, telah mendaki gunung-gunung paling berbahaya di dunia selama bertahun-tahun. Pada tahun 2017, tim pendaki gunung ini menjadi pasangan pertama yang mendaki semua 14 puncak tertinggi di dunia. Namun, mencapai prestasi ini kemungkinan besar akan mustahil tanpa bantuan pencetakan 3D.
 
Benid menderita avascular necrosis bilateral, yang pada dasarnya menyebabkan runtuhnya tulang.
 
Saat pertama kali didiagnosis, Benet dan istrinya tiga puncak lagi dari menyelesaikan putaran dunia semua 14 gunung. Untuk melanjutkan perjalan mereka, pendaki gunung membutuhkan implant yang stabil yang akan memungkinkan pemulihan cepat.
 
Untuk alasan ini, bedah Benet memutuskan untuk menggunakan implant cetak 3D.
 
Implant, dikenal dengan nama merek Delta Trabecular Titanium (TT) cup, diproduksi oleh perusahaan perangkat medis Italia, Lima Corporate, menggunakan printer EBM Arcam.
 
Dengan menggabungkan teknologi Trabecular Titanium Lima dan pencetakan 3D, mungkin untuk menciptakan implant yang meniru struktur pori tulang alami.
 
Berkat struktur trabecular ini, implant cetak 3D dapat menahan stres mekanis selama aktivitas yang berat. Bedah Benet, yang telah memasang TT cup beberapa kali pada pasien lain, percaya bahwa selain menawarkan stabilitas dan kekuatan yang luar biasa, implant cetak 3D juga memiliki potensi untuk bertahan lebih lama dari lifespan implant konvensional.
 
Saat Benet menerima implant pertama, non-cetak 3D, ia telah mengalami banyak bulan inaktivitas sebelum mulai mendaki lagi. Dengan implant cetak 3D, pendaki gunung mampu melanjutkan aktivitasnya setelah dua setengah bulan.
 
Akhirnya, implant cetak 3D melaksanakan tugasnya: memungkinkan Benet untuk pulih cepat dan menyelesaikan misinya mencapai tiga puncak ketinggian terakhir.
 

Osseus Fusion Systems: On the way towards personalised metal implants

 
Didirikan pada 2012, Osseus Fusion Systems adalah perusahaan berbasis AS dengan fokus pada pengembangan produk medis canggih untuk cedera tulang belakang.
 
Untuk meningkatkan kualitas dan fungsionalitas produknya, Osseus telah mengembangkan teknologi pencetakan 3D proprietary yang disebut PL3XUS.
 
Teknologi ini didasarkan pada pencetakan 3D powder bed fusion, khususnya Selective Laser Melting (SLM), dan dapat menciptakan implant titanium 80% pori, dioptimalkan untuk fusi tulang dan fixasi biologis (proses di mana tulang hidup melekat permanen pada permukaan implant).
 
Pada Agustus 2018, Osseus mencapai FDA 510(k) clearance untuk Aries, keluarga perangkat interbody fusion tulang belakang yang difabriksikan secara aditif. Keluarga implant Aries dirancang untuk membantu bedah meredakan nyeri punggung dan mengurangi waktu pemulihan tulang belakang.
 
Awal tahun ini, produk Aries Osseus, untuk pertama kalinya, telah diterapkan oleh Joseph Spine, pusat bedah tulang belakang dan skoliosis. Teknologi PL3XUS memungkinkan desain implant dengan arsitektur yang mirip dengan tulang pasien, memfasilitasi pertumbuhan tulang ke dalam.
 
Dalam beberapa tahun mendatang, Osseus berencana meluncurkan perangkat dipersonalisasi berdasarkan CT Scan, X-Ray, dan MRI pasien.
 
Dengan langkah berikutnya ini, perusahaan bertujuan untuk memberdayakan rumah sakit untuk memberikan perawatan pasien yang superior dan, akhirnya, lebih meningkatkan hasil bedah untuk pasien.
 

3D printing implants with high-performance thermoplastics

 
Selain titanium dan logam biokompatibel lainnya, pencetakan 3D dapat digabungkan dengan polimer seperti PEEK dan PEKK untuk menghasilkan implant. Thermoplastik ini dikenal karena kekuatan tinggi dan biokompatibilitas, dan juga menawarkan beberapa manfaat dibandingkan implant logam seperti biaya lebih rendah dan radiolucency.
 
Pada tahun 2013, Oxford Performance Materials (OPM) menjadi perusahaan pertama yang menerima FDA clearance untuk implant kranial cetak 3D spesifik pasien PEKK. Pada 2017, OPM telah mengirimkan lebih dari 1400 implant kranial dan menerima FDA clearances untuk dua perangkat lain: implant maxillofacial dan tulang belakang.
 
Perusahaan menggunakan teknologi Selective Laser Sintering, yang mendukung platform proprietary OsteoFab® OPM untuk pengembangan dan produksi implant. Dalam satu contoh, platform ini memungkinkan implant kranial spesifik pasien untuk dirancang, diproduksi, diuji, dan dikirim dari OPM hanya dalam 3 hari kerja. Dalam kurang dari seminggu, para bedah berhasil melakukan operasi, tanpa membuat modifikasi pemotongan atau bor untuk mengubah bentuk implant.
 

3D printing for medical implants: Making an impact

Biocompatibility, load-bearing capacity and durability are the fundamental requirements for orthopaedic implants. 3D printing fully meets these requirements whilst advancing the functionality and fit of implants.
 
This can primarily be attributed to the ability of the technology to create complex shapes like porous structures, which help a patient’s body to adapt to an implant faster and with fewer complications.
 
Going forward, 3D printing for implants will continue to evolve. One particularly exciting area of ongoing research is the combination of 3D-printed implants and sensors. By developing sensor-powered implants, healthcare providers can potentially improve patient outcomes significantly.
 
Inbuilt sensors could collect data like temperature around the implant, movement and strain that is being exerted on the implant. This will enable surgeons to react to any potential issues early on and to tailor treatment to the needs of individual patients.
 
Renishaw, a UK manufacturer of metal 3D printers, and Western University have already set up the Additive Design in Surgical Solutions (ADEISS) Centre on the university’s campus. The centre brings together academics and clinicians to work on developing novel 3D-printed medical devices like those described above.
 
Clearly, 3D printing technology is gaining a strong foothold within the orthopaedics segment.
 
However, the technology will need to mature to truly unlock its potential for custom-created implants produced at the point of care.
 
Admittedly, only a small percentage of implants are currently custom-created with 3D printing. While the technology holds huge potential, questions around standardisation and regulation still need to be addressed.
 
That said, creating custom medical implants is where the technology could make the biggest impact and enable more people to benefit from personalised healthcare. We believe this direction will see significant traction in the years to come.
 
In our next article, we’ll be taking a look at how 3D printing can enhance rocket manufacturing. Stay tuned!