Oulun yliopistossa kehitetään uudenlaisia ortopedisiä implantteja metallin 3D-tulostusta hyödyntämällä

3D-tulostuksen mahdollistamien personoitujen huokosrakenteiden avulla implanttien mekaaniset ominaisuudet voidaan optimoida luun kaltaisiksi, jolloin biomekaaninen stimulointi mahdollistaa luukudoksen kasvun implanttiin, edistää osseointegraatiota, lieventää kuormituksen aiheuttamia vahinkoja luun ja implantin rajapinnassa sekä pidentää implantin elinikää.

”Asiakkaalle räätälöityjen implanttien kehittäminen mahdollistaa entistä paremman kytkennän ja säädön luun ja implantin välillä osseointegraatiota hyödyntäen. Lisäksi digitalisoitu prosessi CT-kuvantamisesta räätälöidyn implantin valmistukseen mahdollistaa asiakaskohtaisten toimenpiteiden toteuttamisen, kuten kirurgisen suunnittelun ja sellaisten räätälöityjen oppaiden kehittämisen, jotka vähentävät kirurgisen toimenpiteen aikaa, kustannuksia ja riskejä”, tutkija Miguel Araya Calvo Costa Rican teknologisesta instituutista kertoo.

Digitaalisena valmistusmenetelmänä 3D-tulostus on integroitu olemassa oleviin CT-skannausjärjestelmiin niin, että kuvantamista on voitu hyödyntää digitaalisten mallien luomisessa. Tämä on johtanut ennen kaikkea valmistusprosessin nopeutumiseen, mutta myös tuotteiden laadun parantumiseen.

”3D tulostus mahdollistaa sellaisten monimutkaisten rakenteiden toteuttamisen, joita muilla valmistusmenetelmillä ei voi toteuttaa. Tämä mahdollistaa esimerkiksi keveiden ja kestävien rakenteiden suunnittelun siten, että optimointi kohdistuu myös hyvin pieniin yksityiskohtiin. Eli päästään makrotasolta mikrotasolle. Tätä voidaan hyödyntää eri sovellutusalueissa, kuten lääketieteessä”, sanoo Tulevaisuuden tuotantoteknologioiden tutkimusryhmän (FMT) kehityspäällikkö Kari Mäntyjärvi Oulun yliopiston Kerttu Saalasti Instituutista.

3D-tulostusteollisuudessa jaetaan tutkimusryhmien näkökulmat digitaalisen valmistusmenetelmän eduista. Implantteja toimittavan yrityksen, EOS:n, 3D-tulostuskonsultti Anna Sailor huomauttaa myös tuotantoketjun supistamisen mahdollistamista tuottavuushyödyistä. ”Tuotantoketju lyhenee, kun biosoveltuvuudelle usein välttämätöntä karheaa ja huokoista pintaa ei tarvitse enää tuottaa erikseen jälkikäteen tehtävillä pintakäsittelyillä, 3D-tulostuksen mahdollistaessa pinnan räätälöinnin valmistuksen aikana”.

Perinteisten implanttien puutteet voidaan korjata 3D-menetelmällä

3D-tulostus tarjoaa nopean prosessin mittatilausimplanttien valmistukseen hyödyntämällä vastaavaa prosessia, minkä hammaslääketiede on jo kaupallistanut. 3D-tulostuksen valmistustarkkuus ja lähes vapaa geometrian hallinta antavat täysin uudet lähtökohdat implanttirakenteiden kehittämiselle. Valmistusmenetelmän erityispiirteitä hyödyntämällä voidaan vastata perinteisten implanttien puutteisiin niin mekaanisten ominaisuuksien kuin biosoveltuvuudenkin osalta. Ortopedisissä sovelluksissa teknisesti suurin haaste on metallien suuri jäykkyys suhteessa eri luutyyppien jäykkyyteen. Käytössä perinteinen kiinteä ja siksi jäykkä metalli-implantti rasittaa ympärillä olevaa joustavampaa luukudosta johtaen ennenaikaisiin vaurioihin.

Oulun yliopiston Tulevaisuuden tuotantoteknologiat (FMT) ryhmän ja Costa Rican Institute of Technologyn yhteistyössä tekemä tutkimus on osoittanut, että 3D-tulostamalla tarkoitukseen suunniteltuja huokosrakenteita kiinteiden rakenteiden sijaan metallirakenteiden joustavuus voidaan optimoida eri luutyyppejä vastaavaksi. Lisäksi huokoisuutta voidaan kontrolloida graduaalisesti niin, että implantin pinnasta voidaan tehdä kestävyyden parantamiseksi osittain kiinteä, mutta kudosten tarttuvuutta ja rakenteellista joustavuutta varten huokoinen. Kehitetty uudenlainen implantti hyödyntää molempia piirteitä niin, että se voidaan kiinnittää luuhun ahdistusliitoksena ilman ruuveja, luukudoksen kasvaessa implanttiin kiinni huokoisilta alueilta. Erittäin huokoinen implantin sisärakenne on puolestaan erinomainen alusta erilaisten solujen kuten (verisuonet ja hermokudokset) kasvulle. Lisäksi biosoveltuvuuteen voidaan vaikuttaa tehokkaasti huokosten muotoa ja kokoa optimoimalla, piirre, minkä vain 3D-tulostus tarjoaa tässä mittakaavassa.

Kokeita Costa Ricassa ja Oulussa

Metallisten hilarakenteiden kestävyyskokeita on tehty Oulun yliopistolla laboratoriomittakaavassa lääketieteen standardien mukaisesti lupaavin tuloksin. Esikliiniset kokeet käynnistetään helmikuussa Costa Ricassa Oulun yliopiston FMT ryhmän tutkijoiden matkustaessa 3D-tulostettujen metallinäytteiden kanssa kahden viikon tutkimusvierailulle. Metallinäytteet asennetaan eläinten luihin mekaanista laboratoriotestausta sekä biosoveltuvuuskokeita varten. Hilarakenteiden jatkokehitys ja uusien vaihtoehtoisten materiaalien tutkiminen tulevat jatkumaan Oulun yliopistolla, mutta yhteistyön toivotaan johtavan tulevina vuosina myös kliinisiin kokeisiin Suomessa ja Costa Ricassa. Kehitettyä rakennetta voidaan hyödyntää yleisimmissä ortopedissä sovelluksissa kuten lonkassa, polvessa tai selkärangassa, mutta myös harvinaisemmissa kohteissa.

”Aktiivinen tutkimusyhteistyö ja hyvät henkilökohtaiset suhteet ovat edesauttaneet nopeaa kehitystyötä. Yhteistyö ei ole ollut sujuvaa pelkästään Costa Rican tutkijoiden kanssa, mutta myös kotimaisen teollisuuden kuten 3D-tulostusprosessia kehittävän EOS Finland Oy:n ja teollisuusyhteistyötä kehittävän FAME-ekosysteemin kanssa”, sanoo Tulevaisuuden tuotantoteknologioiden tutkimusryhmän (FMT) tutkimusjohtaja Antti Järvenpää Oulun yliopiston Kerttu Saalasti Instituutista.

FAME Ekosysteemi pyrkii vauhdittamaan 3D-tulostuksen hyödyntämistä Suomalaisessa teollisuudessa tuomalla yhteen kaikki alan asiantuntijat jakamaan tietoa toisilleen, yhtenäistämään alan tutkimuskenttää ja tiivistämään teollisuuden ja tutkimuslaitosten yhteistyötä.

”Yhteistyössä tärkeässä roolissa ovat tutkimuslaitokset ja tutkimusryhmät, sillä laadukas tutkimus on avainasemassa, jotta teknologiaa voidaan kehittää sekä sovelluskohteita löytää lisää. FMT tekee tässä todella arvokasta työtä tuomalla yritysten tietoisuuteen viimeisimpiä tutkimustuloksia esimerkiksi erilaisten tiedonjakotilaisuuksien myötä.”, sanoo ekosysteemijohtaja Eetu Holstein DIMECC Oy:stä.

Älykäs suunnittelutyökalu kehitteillä

Käytännön tutkimustyön ohessa tutkimusyhteistyö sisältää älykkään suunnittelutyökalun kehittämisen. Kehitteillä oleva työkalu yhdistää eri ortopedisten implanttien kuormitustilanteet ja mekaaniset vaatimukset CT-kuvan geometriadataan ja luo näiden pohjalta asiakkaalle räätälöidyn implantin hilarakenteita hyödyntämällä. Tavoitteena on nopeuttaa implantin suunnitteluprosessia ja optimoida implantin käytettävyysominaisuudet.

Oulun yliopiston Kerttu Saalasti Instituutin Nivalan kampukselle suunnitellaan TKI-ympäristön perustamista uudenlaisten hilarakenteiden jatkokehittämiseksi. Tavoitteena on mm. tuoda yhteen tuotanto- ja materiaalitekniikan ja lääketieteen alojen osaajat uuden ortopedisten sovellusten jatkokehittämiseksi sekä kliinisen testauksen käynnistämiseksi alueella.

”Erilaisia hilarakenteita hyödynnetään tällä hetkellä yleisesti lääketieteen implanttien kehityksessä. 3D-tulostusta hyödyntävä lääketieteen teollisuus luokittelee hilarakenteiden valmistuksen alan mullistajana” kuvaa Anna Sailor.

Lisätietoja:

Antti Järvenpää
Tutkimusjohtaja
Oulun yliopiston Kerttu Saalasti Instituutti, Tulevaisuuden tuotantoteknologioiden tutkimusryhmä (FMT)
antti.jarvenpaa@oulu.fi
+358 44 555 1633

Kari Mäntyjärvi,
Kehityspäällikkö
Oulun yliopiston Kerttu Saalasti Instituutti, Tulevaisuuden tuotantoteknologioiden tutkimusryhmä (FMT)
kari.mantyjarvi@oulu.fi
+358 40 084 3050