Rapid Prototyping & 3D Printing for Medical Device

แอพพลิเคชั่นด้านการแพทย์เพื่อการพิมพ์ 3 มิติกำลังขยายตัวอย่างรวดเร็วและถูกคาดหวังว่าจะปฏิวัติการดูแลรักษาสุขภาพ การใช้ประโยชน์การพิมพ์ 3 มิติที่เกี่ยวกับการแพทย์ทั้งที่เป็นอยู่ในขณะนี้และที่อาจเกิดขึ้นได้สามารถจำแนกเป็นหลายประเภทกว้างๆ ได้แก่ การสร้างเนื้อเยื่อและอวัยวะ การสร้างกายอุปกรณ์ วัสดุปลูกฝัง และแบบจำลองกายวิภาคตามความต้องการ รวมทั้งการศึกษาด้านเภสัชศาสตร์เกี่ยวกับรูปแบบยา การส่ง และการค้นคว้าวิจัย แอพพลิเคชั่นการพิมพ์ 3 มิติในการแพทย์สามารถให้คุณประโยชน์มากมาย ได้แก่ การดัดแปลงและการปรับเปลี่ยนผลิตภัณฑ์และอุปกรณ์ทางการแพทย์รวมทั้งยารักษาโรค ประสิทธิผลในการใช้ต้นทุน การเพิ่มผลผลิต การออกแบบและการผลิตอย่างเสรี และการปรับปรุงความร่วมมือ อย่างไรก็ตาม ควรระวังว่าแม้ว่าในปัจจุบันจะมีความก้าวหน้าด้านการแพทย์ที่เกี่ยวข้องกับการพิมพ์ 3 มิติที่สำคัญและน่าตื่นเต้น แต่ความท้าทายด้านวิทยาศาสตร์และกฎระเบียบที่พึงระลึกก็ยังคงอยู่ รวมทั้งแอพพลิเคชั่นที่มีแนวโน้มว่าจะเปลี่ยนแปลงได้ส่วนใหญ่สำหรับเทคโนโลยีนี้ยังจะต้องใช้เวลาในการพัฒนา​

 

ประเภทของเครื่องพิมพ์ 3 มิติที่ใช้กันทั่วไป

 

กระบวนการพิมพ์ 3 มิติทั้งหมดให้ทั้งข้อดีและข้อเสีย ประเภทของเครื่องพิมพ์ 3 มิติที่ถูกเลือกเพื่อแอพพลิเคชั่นหนึ่งมักจะขึ้นอยู่กับวัสดุที่ใช้และการที่ชั้นต่างๆ ในผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปถูกผนึกเข้าด้วยกัน เทคโนโลยีเครื่องพิมพ์ที่ใช้กันมากที่สุดในแอพพลิเคชั่นด้านการแพทย์ 3 ประเภทคือ Selective Laser Sintering (SLS), Thermal Inkjet (TIJ) Printing และ Fused Deposition Modeling (FDM) โดยคำอธิบายสั้นๆ ของแต่ละประเภทมีดังนี้​

 

Selective Laser Sintering

 

เครื่องพิมพ์ SLS ใช้วัสดุที่เป็นผงเป็นสารตั้งต้นสำหรับการพิมพ์วัตถุใหม่ 1. เลเซอร์ร่างรูปทรงของวัตถุในผง หลอมรวมมันเข้าด้วยกัน จากนั้นผงชั้นใหม่จะถูกวางและกระบวนการสร้างชั้นแต่ละชั้นจะเกิดซ้ำเพื่อก่อวัตถุ การเผาผนึกด้วยเลเซอร์สามารถใช้ประดิษฐ์วัตถุที่เป็นโลหะ พลาสติก และเซรามิค ระดับของความละเอียดถูกจำกัดด้วยความแม่นยำของเลเซอร์และความละเอียดของผงเท่านั้น ดังนั้นจึงเป็นไปได้ที่จะประดิษฐ์โครงสร้างที่มีรายละเอียดและละเอียดอ่อนเป็นพิเศษด้วยเครื่องพิมพ์ประเภทนี้​

 

Thermal Inkjet Printing 

 

การพิมพ์ด้วยการฉีดหมึกเป็นเทคนิค “แบบไม่สัมผัส” ที่ใช้ความร้อน แม่เหล็กไฟฟ้า หรือเทคโนโลยี  เพียโซอิเล็กทริกในการทับถม “หมึก” หยดเล็กจิ๋ว (หมึกจริงหรือวัสดุอื่นๆ) ลงบนสารตั้งต้นตามคำสั่งดิจิตอล ในการพิมพ์ด้วยการฉีดหมึก การทับถมของหยดหมึกมักจะทำโดยการใช้ความร้อนหรือการบีบอัดทางกลไกเพื่อผลักหมึกออกมา ในเครื่องพิมพ์ TIJ การทำความร้อนหัวพิมพ์ทำให้เกิดฟองอากาศที่ยุบแฟบ สร้างจังหวะแรงดันที่ผลักหยดหมึกออกจากหัวฉีดในปริมาณที่น้อยถึง 10-150 พิโคลิตร ขนาดของหยดสามารถผันแปรโดยการปรับระดับของอุณหภูมิที่ใช้ ความถี่ของจังหวะ และความหนืดของหมึก​

 

เครื่องพิมพ์ TIJ ให้ความมั่นใจเป็นพิเศษสำหรับการใช้ในวิศวกรรมเนื้อเยื่อและเวชศาสตร์เพื่อการฟื้นฟูสภาวะเสื่อม เนื่องจากความแม่นยำของระบบดิจิตัล การควบคุม ความอเนกประสงค์ และผลกระทบที่อ่อนโยนต่อเซลล์ของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม เทคโนโลยีนี้จึงถูกนำไปใช้ในการพิมพ์เนื้อเยื่อและอวัยวะ 2 มิติและ 3 มิติที่ไม่ซับซ้อนเรียบร้อยแล้ว (ที่รู้จักกันว่าการพิมพ์ชีวภาพนั่นเอง) นอกจากนี้เครื่องพิมพ์ TIJ ยังพิสูจน์ได้ว่าเหมาะสำหรับการใช้ประโยชน์ที่ซับซ้อนอื่นๆ เช่น การส่งยาและการทรานสเฟคชั่นระหว่างการสร้างเนื้อเยื่อ​

 

Fused Deposition Modeling 

 

เครื่องพิมพ์ FDM เป็นที่แพร่หลายและราคาย่อมเยากว่าเครื่องพิมพ์ประเภท SLS 1. เครื่องพิมพ์ FDM ใช้หัวพิมพ์ที่คล้ายคลึงกับเครื่องพิมพ์อิงค์เจ็ท อย่างไรก็ตาม แทนที่จะเป็นหมึก เม็ดพลาสติกที่ถูกทำให้ร้อนจะถูกปล่อยจากหัวพิมพ์ขณะที่มันเคลื่อนที่สร้างวัตถุชั้นบางๆ กระบวนการนี้เกิดขึ้นซ้ำแล้วซ้ำเล่าเพื่อให้การควบคุมจำนวนและตำแหน่งของแต่ละการทับถมที่เที่ยงตรงและทำให้แต่ละชั้นเป็นรูปเป็นร่าง เนื่องจากวัสดุจะถูกทำให้ร้อนขณะที่ถูกผลักออกมา มันจึงหลอมรวมและผนึกกับชั้นด้านล่าง เมื่อแต่ละชั้นของพลาสติกเย็นลง มันจะแข็งขึ้น ค่อยๆ สร้างวัตถุที่มีสามมิติขณะที่ชั้นเพิ่มขึ้น เครื่องพิมพ์ FDM สามารถมีลักษณะเฉพาะเพิ่มเติม เช่น หลายหัวพิมพ์ ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับความซับซ้อนและราคา อันที่จริงแล้ว ชิ้นส่วนของเครื่องพิมพ์ 3 มิติ FDM มักจะทำจากเทอร์โมพลาสติกชนิดเดียวกับที่ใช้ในการหล่อและการขึ้นรูปแบบดั้งเดิม ดังนั้นมันจึงมีความมั่นคง ความทนทาน และมีคุณลักษณะเชิงกลที่คล้ายคลึงกัน​

 

คุณประโยชน์ของการพิมพ์ 3 มิติสำหรับแอพพลิเคชั่นด้านการแพทย์

 

ข้อดีที่สุดที่เครื่องพิมพ์ 3 มิติให้กับแอพพลิเคชั่นด้านการแพทย์ก็คืออิสรภาพในการผลิตผลิตภัณฑ์และอุปกรณ์ด้านการแพทย์ตามความต้องการ ตัวอย่างเช่น การใช้การพิมพ์ 3 มิติเพื่อการทำกายอุปกรณ์ วัสดุปลูกฝังเป็นประโยชน์อย่างยิ่งกับทั้งผู้ป่วยและแพทย์ นอกจากนี้การพิมพ์ 3 มิติยังสามารถผลิตอุปกรณ์จับยึดและกำหนดตำแหน่งที่ทำขึ้นตามสั่งสำหรับใช้ในห้องผ่าตัดอีกด้วย วัสดุปลูกฝัง สิ่งติดตรึง และเครื่องมือผ่าตัดที่ทำขึ้นตามสั่งมีผลดีในแง่ของเวลาที่จำเป็นสำหรับการผ่าตัด เวลาในการฟื้นตัวของผู้ป่วย และความสำเร็จของการผ่าตัดหรือการปลูกถ่าย เป็นที่คาดว่าเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติจะช่วยให้รูปแบบยา ข้อมูลการปลดปล่อยตัวยา และการจ่ายยาเป็นไปตามความต้องการของผู้ป่วยแต่ละคน​

 

การพิมพ์แบบ 3 มิติได้กลายเป็นเครื่องมือเพื่อการเปลี่ยนแปลงที่มีประโยชน์และมีศักยภาพในแวดวงต่างๆ มากมายรวมถึงการแพทย์ ขณะที่มีการเพิ่มขึ้นของประสิทธิภาพ ความคมชัด และวัสดุที่หาได้ของเครื่องพิมพ์ แอพพลิเคชั่นก็เช่นกัน นักวิจัยยังคงพัฒนาแอพพลิเคชั่นด้านการแพทย์ที่ใช้เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติรวมทั้งเสาะหาเทคโนโลยีใหม่ด้วย ความก้าวหน้าด้านการแพทย์ที่ใช้การพิมพ์ 3 มิติได้กลายเป็นสิ่งสำคัญและน่าตื่นเต้นไปแล้ว แต่แอพพลิเคชั่นเพื่อการเปลี่ยนแปลงสุดขีด เช่น การพิมพ์อวัยวะ ยังคงต้องการเวลาในการพัฒนา​

http://www.todaysmedicaldevelopments.com​

http://www.prototypetoday.com/​

Medical applications for 3D printing are expanding rapidly and are expected to revolutionize health care. Medical uses for 3D printing, both actual and potential, can be organized into several broad categories, including: tissue and organ fabrication; creation of customized prosthetics, implants, and anatomical models; and pharmaceutical research regarding drug dosage forms, delivery, and discovery. The application of 3D printing in medicine can provide many benefits, including: the customization and personalization of medical products, drugs, and equipment; cost-effectiveness; increased productivity; the democratization of design and manufacturing; and enhanced collaboration. However, it should be cautioned that despite recent significant and exciting medical advances involving 3D printing, notable scientific and regulatory challenges remain and the most transformative applications for this technology will need time to evolve. ​

 

Common Types of 3D Printers

 

All 3D printing processes offer advantages and disadvantages. The type of 3D printer chosen for an application often depends on the materials to be used and how the layers in the finished product are bonded. The three most commonly used 3D printer technologies in medical applications are: selective laser sintering (SLS), thermal inkjet (TIJ) printing, and fused deposition modeling (FDM). A brief discussion of each of these technologies follows. ​

 

Selective Laser Sintering 

 

An SLS printer uses powdered material as the substrate for printing new objects.1 A laser draws the shape of the object in the powder, fusing it together. Then a new layer of powder is laid down and the process repeats, building each layer, one by Medical Applications for 3D Printing: Current and Projected Uses one, to form the object. Laser sintering can be used to create metal, plastic, and ceramic objects. The degree of detail is limited only by the precision of the laser and the fineness of the powder, so it is possible to create especially detailed and delicate structures with this type of printer.​​

 

Thermal Inkjet Printing 

 

Inkjet printing is a “noncontact” technique that uses thermal, electromagnetic, or piezoelectric technology to deposit tiny droplets of “ink” (actual ink or other materials) onto a substrate according to digital instructions.2 In inkjet printing, droplet deposition is usually done by using heat or mechanical compression to eject the ink drops. In TIJ printers, heating the printhead creates small air bubbles that collapse, creating pressure pulses that eject ink drops from nozzles in volumes as small as 10 to 150 picoliters. Droplet size can be varied by adjusting the applied temperature gradient, pulse frequency, and ink viscosity.

 

TIJ printers are particularly promising for use in tissue engineering and regenerative medicine. Because of their digital precision, control, versatility, and benign effect on mammalian cells, this technology is already being applied to print simple 2D and 3D tissues and organs (also known as bioprinting). TIJ printers may also prove ideal for other sophisticated uses, such as drug delivery and gene transfection during tissue construction.

 

Fused Deposition Modeling ​​ ​

 

FDM printers are much more common and inexpensive than the SLS type.1 An FDM printer uses a printhead similar to an inkjet printer. However, instead of ink, beads of heated plastic are released from the printhead as it moves, building the object in thin layers. This process is repeated over and over, allowing precise control of the amount and location of each deposit to shape each layer. Since the material is heated as it is extruded, it fuses or bonds to the layers below. As each layer of plastic cools, it hardens, gradually creating the solid object as the layers build. Depending on the complexity and cost of an FDM printer, it may have enhanced features such as multiple printheads. FDM printers can use a variety of plastics. In fact, 3D FDM printed parts are often made from the same thermoplastics that are used in traditional injection molding or machining, so they have similar stability, durability, and mechanical properties.​

 

Benefits of 3D Printing in Medical Applications

 

The greatest advantage that 3D printers provide in medical applications is the freedom to produce custom-made medical products and equipment. For example, the use of 3D printing to customize prosthetics and implants can provide great value for both patients and physicians. In addition, 3D printing can produce made-to-order jigs and fixtures for use in operating rooms. Custom-made implants, fixtures, and surgical tools can have a positive impact in terms of the time required for surgery, patient recovery time, and the success of the surgery or implant. It is also anticipated that 3D printing technologies will eventually allow drug dosage forms, release profiles, and dispensing to be customized for each patient.​​

 

3D printing has become a useful and potentially transformative tool in a number of different fields, including medicine. As printer performance, resolution, and available materials have increased, so have the applications. Researchers continue to improve existing medical applications that use 3D printing technology and to explore new ones. The medical advances that have been made using 3D printing are already significant and exciting, but some of the more revolutionary applications, such as organ printing, will need time to evolve.​

Source: MEGA Tech Magazine, May-Jun 2017

 ​

© 2018 Advance Industry Media Plus Co., Ltd. All Rights Reserved.​​

Advance Industry Media Plus Co., Ltd.
1104/339 Pattanakarn Road Suanluang, Suanluang, Bangkok, 10250 Thailand

Tel. +66 2136 1406-7

Fax. +66 2187 2899

www.aimplus.co.th   

info@aimplus.co.th​

Ms. Khemruji Pruankaewmanee

Tel: +66 2 136 1406-7
Email: khemruji@aimplus.co.th​

aimplus.co.th

Reader voices

Advertisers

Subscribe

ADVERTISE WITH US 

LINKS

FOLLOW US ON SOCIAL MEDIA

megatech magazine, industry 4.0 manufacturing, business matching
megatech magazine, industry 4.0 manufacturing, business matching
megatech magazine, industry 4.0 manufacturing, business matching
www.oniintertrade.com