ما هي التطبيقات الصناعية ل تصنيع المضافات الورك?
يُحدث التصنيع المضاف للورك، المعروف أيضًا باسم الطباعة ثلاثية الأبعاد، ثورة في الإنتاج في مختلف الصناعات. أحد المجالات التي أظهرت فيها الإضافات المضافة نتائج واعدة بشكل خاص هو استبدال مفصل الورك. يجلب التصنيع المضاف العديد من الفوائد لبدائل مفصل الورك، بما في ذلك التخصيص والخدمات اللوجستية المبسطة والأشكال الهندسية المبتكرة. ونتيجة لذلك، تكتسب بدائل مفصل الورك المضافة زخمًا في التكنولوجيا الطبية.
مقدمة في التصنيع الإضافي لاستبدال مفصل الورك
يقوم التصنيع الإضافي ببناء الأجزاء طبقة تلو الأخرى باستخدام مواد مثل المعادن والبلاستيك والسيراميك. وهذا يتيح الإنتاج عند الطلب دون الحاجة إلى قوالب أو قوالب أو أدوات خاصة. يمكن بناء الأجزاء حسب الطلب، مما يبسّط الخدمات اللوجستية. كما تتيح الإضافات أيضًا إمكانية تصنيع الأشكال الهندسية المعقدة التي لا يمكن تصنيعها من خلال طرق الطرح مثل التصنيع باستخدام الحاسب الآلي.
بالنسبة للوركين، تفتح المضافات إمكانيات جديدة. تواجه مفاصل الورك متطلبات ميكانيكية متطلبة –؛ يجب أن تتعامل مع الأحمال الدورية على مدى سنوات من الاستخدام. يمكن أن تتضمن الوركين المنتجين بشكل إضافي تصميمات متقدمة لتحسين القوة والمرونة وطول العمر. تشمل التقنيات المضافة الشائعة للوركين دمج قاع المسحوق بالليزر (LPBF) لسبائك التيتانيوم وذوبان الحزمة الإلكترونية (EBM) لكروم الكوبالت. تتيح هذه الأساليب هياكل مسامية معقدة وتركيبات متدرجة وظيفيًا.
تعمل الإضافات على توفير بدائل الورك الأفضل أداءً والأطول عمراً. دعونا نستكشف بعض التطبيقات الصناعية الرئيسية التي تقود عملية التبني.
عمليات الزرع المخصصة بناءً على تشريح المريض
وتتمثل إحدى الفوائد الرئيسية للمواد المضافة في قدرتها على إنتاج أجزاء مخصصة اقتصاديًا. وهذا مثالي للوركين، حيث يختلف تشريح كل مريض عن الآخر قليلاً. تتطابق الغرسات المصممة خصيصًا بشكل أفضل مع ملامح عظام المريض، مما يحسن التثبيت على المدى القصير والطويل.
تُستخدم تقنية LPBF بشكل شائع لصنع غرسات الورك المصنوعة من التيتانيوم الخاصة بالمريض. تلتقط الأشعة المقطعية الشكل الدقيق لمفصل المريض. توجه هذه البيانات نظام الإضافة لدمج مسحوق التيتانيوم في ورك مصمم بشكل مثالي يتناسب مع الفرد.
يقلل الورك المخصص من الحلاقة والتعديلات الجراحية أثناء الجراحة. وبفضل الملاءمة الدقيقة، يمكن الحفاظ على المزيد من العظام الطبيعية للمريض. تميل الوركين المخصصين أيضاً إلى الحصول على نتائج سريرية أفضل، على سبيل المثال في استعادة محاذاة المفصل الطبيعية.
بدأ كبار صانعي أجهزة تقويم العظام مثل زيمر بيوميت وسترايكر في تقديم مكونات استبدال مفصل الورك المطبوعة ثلاثية الأبعاد الخاصة بالمريض. ومن المتوقع أن يرتفع الطلب على الغرسات المصممة خصيصاً مع اعتماد المستشفيات لبرامج التصوير والتصميم المتقدمة.
مواد متدرجة وظيفيًا
ومن المزايا الأخرى للمواد المضافة بناء مكونات من مواد متدرجة وظيفيًا (FGM). تستخدم مواد FGMs تغييرًا تدريجيًا في الخصائص مثل المسامية وتكوين السبائك. وهذا يسمح للوركين بالتعامل مع الاحتياجات الهيكلية المختلفة –؛ مثل امتصاص الصدمات والصلابة ونمو العظام –؛ في جزء واحد.
يمكن لـ LPBF مزج المعادن في هياكل معقدة من الرغوة المسامية. قد يكون جذع الفخذ معبأ بإحكام في العنق من أجل الصلابة، ثم ينتقل إلى رغوة مسامية في الواجهة العظمية. يساعد ذلك على توزيع الأحمال ويمنع تدرجات الصلابة الخطيرة. وقد مكّنت تقنية EBM من كروم الكوبالت من تصنيع الوركين من مادة FGM مع مرونة وقوة تحاكي العظام.
تحاكي غرسات الورك FGM أداء العظام الطبيعية بشكل أفضل. فهي تساعد على تجنب مشاكل مثل ضمور العظام وآلام الفخذ المرتبطة بالغرسات التقليدية. تعمل شركات تقويم العظام مثل أكاهي على طرح الوركين المصنوعين من الهياكل المصنوعة من الألياف الزجاجية المضافة في السوق. كما يقوم الأطباء السريريون أيضاً بتجربة الهياكل ذات الطبقات المصنوعة من الهياكل المصنوعة من المواد المضافة المصنوعة من خلال الجمع بين معادن مطبوعة غير متشابهة.
الهياكل الشبكية والتحسين الطوبولوجي
تفتح الإضافات المجال لتصميمات جديدة جذرية يستحيل تصنيعها بطريقة أخرى. ومن الأمثلة على ذلك الهياكل الشبكية الخلوية ذات المسامية الشبيهة بالعظام. تُظهر المشابك نسبة قوة إلى وزن استثنائية ويمكن أن تضاهي صلابة الأنسجة الطبيعية.
بالنسبة للوركين، تعمل سيقان الفخذ الشبكية وكؤوس الحُقي على تعزيز نمو العظام للتثبيت البيولوجي. يقوم LPBF ببناء هياكل مطبوعة من التيتانيوم ورغوة التنتالوم المطبوعة والمضبوطة لتوافق الفخذ. كما تمنح المشابك الجراحين مرونة إضافية في تخصيص الغرسات أثناء الجراحة. يمكن إزالة المواد الزائدة مع الاحتفاظ بمناطق تكامل العظام.
تتيح برمجيات تحسين الطوبولوجيا إجراء المزيد من التحسينات في تصميم الورك. تقوم الخوارزميات بتكرار آلاف التخطيطات للعثور على الخصائص الميكانيكية المثالية. وينتج عن ذلك أشكالاً عضوية إلكترونية مصممة خصيصاً لقوى المريض وبنية العظام. تقدم العديد من الشركات الآن غرسات الورك المحسّنة طوبولوجياً مع شبكات ممتصة للصدمات.
التصنيع في الموقع من أجل إدارة أفضل للمخزون
تقدم الإضافات مزايا تغير قواعد اللعبة بالنسبة لسلسلة التوريد وإدارة مخزون الوركين. فمع التصنيع التقليدي، ينتج صانعو الأجهزة مجموعة من الأحجام الجاهزة التي يجب تخزينها على مستوى العالم. وهذا يؤدي إلى تكاليف مخزون كبيرة.
تسمح الإضافات بإنتاج الورك في الوقت المناسب وحسب الطلب بالقرب من المستشفيات. يمكن تركيب الطابعات في الموقع لبناء الغرسات عند جدولة العمليات الجراحية. يكتسب الجراحون المزيد من المرونة في التحجيم. كما تقلل المستشفيات أيضًا من النفقات العامة الناتجة عن الطلب والشحن والتخلص من مخزون الغرسات غير المستخدمة.
هناك اهتمام متزايد بمختبرات الطباعة ثلاثية الأبعاد في المستشفيات لتقديم أجهزة خاصة بالمرضى. في عام 2021، استحوذت شركة Zimmer Biomet على شركة Additive Orthopaopedics، التي تقدم خدمات التصنيع في الموقع على مستوى العالم. أما الطابعات الطبية الأخرى مثل طابعات Jabil&8217's Health فهي مصممة خصيصاً للمستشفيات. تساعد الغرسات المطبوعة محلياً في تحويل جراحة استبدال مفصل الورك.
التصنيع الإضافي للأدوات والأدلة الجراحية
بالإضافة إلى مكونات الورك نفسها، يتم تطبيق المواد المضافة لتحسين عملية الولادة الجراحية. يمكن أن ينتج LPBF أدوات مصممة خصيصًا مثل الشقوق والمثاقب المطابقة لتشريح المريض. تُطبع الأدلة الخاصة بالمريض من مسحوق النايلون، مع تصميم الفتحات والفتحات من بيانات المسح الضوئي.
تعمل الأدلة كقوالب استنسل لإظهار المواضع التي يجب أن تتماشى فيها قطع العظام وثقوب الحفر بدقة. ويؤدي ذلك إلى نقل خطة الزرع الرقمية مباشرةً إلى غرفة العمليات للتنفيذ الدقيق. وقد أثبتت الأدلة تحسين دقة استبدال مفصل الورك وتقليل زمن غرفة العمليات.
تتيح مجموعات الأدوات المضافة مرونة إجرائية أكبر للجراحين. تساعد الأدلة والأدوات الفريدة من نوعها الجراحين على تحقيق التموضع المناسب للغرسات في مساحات المفاصل الضيقة. كما تسمح الطباعة ثلاثية الأبعاد للمستشفيات بإنتاج الأدوات بفعالية من حيث التكلفة عند الطلب. تجعل هذه الفوائد من الأدوات المضافة جزءاً أساسياً من جراحة الورك.
سبائك كروم الكوبالت الجديدة
تتكون معظم بدائل مفصل الورك من سبائك الكوبالت والكروم أو التيتانيوم الموصولة بكوب بلاستيكي من البولي إيثيلين عالي الوزن الجزيئي. يعمل المهندسون على تطوير مواد جديدة متطورة من الكوبر كوبر مصممة خصيصاً لتلبية الاحتياجات الإضافية.
تُعد سبيكة الورك BIOCOR من كاربنتر&8217 الرائدة. تتميز سبيكة BIOCOR، المُحسّنة للتركيبات الإلكترونية (EBM)، ببنية مجهرية دقيقة مع قوة إجهاد عالية. ويتيح ذلك تحسينات في التصميم مثل الجدران الرقيقة والشبكات مع الاحتفاظ بعمر الزرع لأكثر من 20 عاماً. وقد شهدت BIOCOR نجاحاً سريرياً قوياً وحصلت على موافقة إدارة الغذاء والدواء الأمريكية.
تقدم شركات أخرى مركبات جديدة لإنتاج الورك المضاف. على سبيل المثال، تُحسّن تحسينات Zimaloy CoCr مع النيوبيوم من مقاومة التآكل بنسبة 30% مقارنة بالسبائك التقليدية. تجعل المواد المضافة من دمج هذه العناصر المصممة خصيصاً بتركيزات يصعب استخدامها بطرق أخرى أمراً اقتصادياً.
إعادة تخيل حركة المفاصل والمفاصل
بالنظر إلى العقود المقبلة، تفتح الإضافات إمكانية تصميمات الورك من الجيل التالي. وقد تؤدي التطورات إلى غرسات توفر بيئة مفصلية أكثر طبيعية وصحية على المدى الطويل.
أحد المسارات هو السيقان المعيارية المخددة ذات الحركات الدقيقة لنقل الأحمال إلى العظام بشكل أفضل. تعمل الهياكل المتوافقة على فصل الواجهات الصلبة غير المرغوب فيها بين الغرسة والأنسجة. كما يمكن لأكواب الورك الرغوية المفصلية أن تعيد بناء طبقة السوائل المزلقة للغضروف الطبيعي. يمكن للمزيد من التطورات في المواد والمحاكاة أن تمكن من تطوير مفاصل تحاكي الوظيفة الحقيقية للعضلات والعظام.
على الرغم من أنها لا تزال مفاهيمية، إلا أن المضافات هي طريقة التصنيع المفقودة اللازمة لإعادة التفكير فيما يمكن أن يحققه الورك الاصطناعي. تلوح في الأفق نماذج جديدة لترميم المفاصل.
تسهيل البحث والتطوير
تتمثل إحدى الفوائد الرئيسية للإضافات في قدرتها على تكرار التصاميم بسرعة وطباعة النماذج الأولية عند الطلب. وهذه نعمة لأبحاث جراحة العظام والتعليم. حيث يمكن للمهندسين اختبار العشرات من مفاهيم الورك والحصول على تعليقات عملية من الجراحين.
تنتج طابعات LPBF بكفاءة هندسة اختبارية معدنية تحاكي أداء الزرعة بشكل كامل. يمكن تجربة النماذج الأولية على الجثث أو نماذج العظام الرغوية قبل الاستثمار في الأدوات. بالنسبة للمختبرات الأكاديمية، تتيح الإضافات إجراء أبحاث استكشافية منخفضة التكلفة.
تعمل خفة حركة الإضافات على تسريع تقدم زراعة مفصل الورك. ما كان يستغرق شهوراً من التنقل بين التصميم بمساعدة الحاسوب والتصنيع باستخدام الحاسب الآلي يمكن أن يحدث في أيام باستخدام طابعة واحدة. ابحث عن روابط متزايدة بين الجامعات وصانعي الأجهزة لدفع الابتكارات المطبوعة ثلاثية الأبعاد في جراحة الورك.
تحديات التصنيع المضاف لزراعة غرسات الورك
على الرغم من أنها واعدة، إلا أن المضافات تواجه عقبات تقنية لاعتمادها على أكمل وجه في جراحة الورك:
- زيادة الدقة $$$ –؛ يجب تحسين دقة الأبعاد وتشطيب السطح من أجل تلبية معايير أجهزة تقويم العظام. يلزم أحيانًا تشديد ضوابط العملية وما بعد التصنيع.
- تطوير المواد-التنمية $$ –؛ يجب إدخال المزيد من السبائك الخاصة بالورك التي تم التحقق من صحتها. وتحتاج هذه السبائك إلى تركيبات وخصائص مصممة خصيصًا للطرق المضافة.
- الامتثال التنظيمي $$ –؛ تتطلب الغرسات المنتجة بالإضافات بيانات اختبار صارمة ودراسات سريرية للحصول على الموافقة التنظيمية والثقة في الاعتماد.
- الخبرة في التصميم $$ –؛ يعتمد تعظيم فوائد الإضافات على الخبرة في التصميم من أجل تصنيع الإضافات المعدنية. ستحتاج شركات تقويم العظام إلى مهندسي ومحللي العمليات المضافة ضمن طاقم العمل.
مستقبل التصنيع المضاف للوركين
يعمل التصنيع الإضافي بشكل مطرد على نحت دور مهم في جراحة استبدال مفصل الورك. تشير جميع الدلائل إلى تزايد الاعتماد مع استمرار التحسينات التقنية. ستؤدي التحسينات في قابلية التكرار والجودة والمواد إلى تمكين المواد المضافة من تعطيل تصميم الغرسات وجردها وتسليمها بالكامل.
في المستقبل، سيتم تخصيص معظم مكونات الورك وطباعتها ثلاثية الأبعاد حسب الطلب. وستقوم المستشفيات عادةً بتركيب مختبرات إنتاج الغرسات داخل المستشفيات، حتى أنها ستستفيد من أنظمة الطباعة المتنقلة. ستتوسع الإضافات من الوركين إلى بدائل المفاصل الأخرى وزراعة العمود الفقري. ستتحسن الإنتاجية مع نمو الطابعات المعدنية ثلاثية الأبعاد بشكل أكبر وأسرع.
بشكل عام، تقدم الإضافات إمكانات هائلة لاستبدال مفصل الورك بأداء أعلى وأطول أمداً وأكثر سهولة. تجلب الطباعة ثلاثية الأبعاد الموجة التالية من الابتكار لاستعادة وظيفة المفصل الطبيعية الخالية من الألم. يبدو المستقبل أكثر إشراقاً للملايين في جميع أنحاء العالم الذين يعانون من التهاب مفاصل الورك وتدهورها.
التعليمات
ما هي الفوائد الرئيسية لغرسات الورك بالطباعة ثلاثية الأبعاد؟
الفوائد الرئيسية للتصنيع الإضافي لغرسات الورك هي:
- التخصيص لمطابقة تشريح المريض ومحيط العظام
- القدرة على صنع هياكل وطوبولوجيات شبكية معقدة
- التصنيع اللامركزي عند الطلب في المستشفيات
- تحسين إدارة المخزون دون الإفراط في تخزين أحجام الغرسات
- السبائك الجديدة المتقدمة وتركيبات المواد المتقدمة
- تكرار أسرع للتصميم من خلال النماذج الأولية السريعة
ما مدى دقة غرسات الورك المنتجة بشكل إضافي؟
أصبحت دقة أبعاد غرسات الورك المعدنية المطبوعة الآن مماثلة للتصنيع التقليدي. كما تعمل المعالجة اللاحقة مثل التصنيع باستخدام الحاسب الآلي على تحسين درجة التحمل والتشطيب. وتتيح دقة الطابعة الحالية التي تتراوح بين 30 و50 ميكرون إمكانية إجراء عمليات الزرع التي تلبي معايير تقويم العظام.
هل غرسات الورك المطبوعة ثلاثية الأبعاد معتمدة من إدارة الغذاء والدواء الأمريكية؟
حصلت العديد من مكونات استبدال مفصل الورك المصنعة بشكل إضافي على تصريح من إدارة الغذاء والدواء الأمريكية 510 (ك). ومن أبرز الأمثلة البارزة على ذلك: الورك المصنوع من التريتانيوم المخصص من شركة زيمر بيوميت، ونظام الورك من التريتانيوم سي من شركة سترايكر&8217، وزراعة الورك من شركة أدلر أورثو. ومن المتوقع الحصول على المزيد من الموافقات مع استمرار تحسن جودة الإضافات والبيانات المضافة.
هل يغطي التأمين الوركين المطبوعين ثلاثي الأبعاد حسب الطلب؟
تغطي العديد من شركات التأمين تكاليف الوركين المتطابقين مع المريض والمنتجين بالطباعة المعدنية ثلاثية الأبعاد. لا تزال تعتبر غرسة متخصصة، لذلك قد تستلزم خطط الخصم الأعلى تكلفة أكبر من الجيب. ومع زيادة الاعتماد عليها، من المتوقع أن تصبح تغطيتها روتينية مثل مكونات الورك التقليدية الجاهزة.
هل يمكنك صنع وركين هجينين مطبوعين من المعدن/البوليمر ثلاثي الأبعاد؟
نعم، تعمل شركات رائدة في مجال تقويم العظام بنشاط على تطوير عمليات مضافة هجينة لصنع غرسات الورك المعدنية على البلاستيك. تتصل الطباعة المعدنية المباشرة لجذع الفخذ مع قولبة الحقن لبطانة الكأس البلاستيكية المطبوعة. وهذا يحقق تكامل العظام على جانب الساق. يهدف التصنيع الهجين إلى تعطيل طرق بناء الورك التقليدية.
كم تبلغ تكلفة استبدال مفصل الورك المطبوع ثلاثي الأبعاد؟
يتراوح متوسط الأسعار الحالية لاستبدال مفصل الورك الكلي المطبوع بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد بين 5000 و7500 دولار أمريكي في الولايات المتحدة. وهذا أعلى بنسبة 15-20% من الزرع التقليدي. ومع ذلك، تساعد مزايا مثل الجراحة الأسرع، وعدد أقل من الأدوات، وعدم وجود مخزون مهدر في تعويض هذه الزيادة. ومن المتوقع أن تتساوى أسعار الغرسات المطبوعة مع الطرق التقليدية مع زيادة الاعتماد عليها.