نقش چاپ 3d در سفارشی کردن قطعات Pancreas مصنوعی و سنسورها

تکامل سریع تولید افزودنی، که معمولا به عنوان چاپ 3D شناخته می شود، تغییر چشم انداز طراحی و تولید دستگاه پزشکی است.در میان وعده های سریع ترین سفارشی سازی اجزای سیستم های پانکراس مصنوعی است - دستگاه های حلقه نزدیک که تحویل انسولین را برای افراد مبتلا به دیابت نوع 1 خودکار می کنند، در نهایت با فعال کردن سریع نمونه سازی، زمین شناسی پیچیده، و سفارشی سازی خاص بیمار، 3D، به طور کلی جزئیات دقیق این مقاله انتقال می دهد که چگونه از این کیفیت بالینی استفاده می کند.

درک سیستم پانکوراس مصنوعی و مورد سفارشی سازی

یک پانکراس مصنوعی جایگزین واحد اندام نیست، بلکه یک سیستم است که سه عنصر اصلی را ترکیب می کند: یک مانیتور گلوکز مداوم (CGM)، پمپ انسولین و یک الگوریتم کنترل. CGM سطح گلوکز بین المللی را ردیابی می کند، پمپ انسولین را تحویل می دهد و الگوریتم از داده ها برای تنظیم تحویل در زمان واقعی استفاده می کند، در حالی که سیستم های تجاری مانند MiniMed 780G و کنترل TMII استاندارد شده اند که ممکن است متناسب با هر کدام از مقادیر قندی که به اندازه گیری های کنترل گلوکز و کنترل آن ها وابسته باشند، باشد.

سفارشی سازی بسیار مهم است زیرا هیچ دو بیمار دارای خطوط بدن یکسان، توزیع چربی پوست، یا حساسیت به پوست نیستند.یک سنسور که به طور ناخوشایند در یک شکم خمیده قرار دارد می تواند باعث درد، کاهش دقت یا منجر به شکست زودرس شود، به طور مشابه، یک پمپ انسولین که در یک زاویه زیر بهینه قرار دارد ممکن است انسولین را به طور متناقض ارائه دهد. 3D چاپ یک راه برای طراحی اجزای طراحی است که با افزایش راحتی، و بهبود عملکرد درمانی، و بهبود عملکرد فردی مطابقت داشته باشد.

تکنولوژی های پرینت 3D در دستگاه های پزشکی

چندین روش تولید افزودنی برای تولید اجزای مصنوعی پانکراس (هر کدام از آنها دارای مزایای متمایز هستند) مدل سازی پیشرفته (FDM) از رشته های ضد نور پلاستیکی مانند PLA، PETLTG یا پلی کربنات پزشکی پشتیبانی می کند. FDM مقرون به صرفه و مناسب برای مسکن مسکن مسکن، براکت های مختلف و مواد غیر قابل استفاده می کند (FLTS:2).

سفارشی سازی مداوم Glucose Monitor و Sensors

سنسور CGM ظریف ترین جزء سیستم است.این معمولا شامل یک الکترود کوچک است که به صورت جداگانه وارد می شود، مسکنی که به پوست پایبند است و فرستنده ای که داده ها را به صورت بی سیم ارسال می کند. 3D چاپ اجازه می دهد تا مهندسان هر عنصر را تنظیم کنند.

خانه های شخصی Sensor Housings

پچ های چسب استاندارد می توانند باعث تحریک پوست شوند یا نتوانند با منحنی ها مطابقت داشته باشند.با اسکن 3D و چاپ، یک مسکن سفارشی می تواند برای مطابقت با خط شکم بیمار طراحی شود، کاهش واکنش های پوست و پوست انعطاف پذیر مانند شیلنگ (و یا پلی تکنیک) می تواند چاپ شود تا یک پایه نفس آور و نرم ایجاد کند که حتی برخی از طرح های چاپ شده را برای اتصال سیم های بزرگتر یا سیم های سنسور بدون افزایش رد پای زدن، پخش می کند.

مینیاتوراسیون و Biocompathibility

تولید افزودنی مسکن سنسور را با دیوارهای نازک تر و ویژگی های یکپارچه که ممکن است غیر ممکن باشد برای قالب، رزین SLA گواهی برای تماس با پوست (به عنوان مثال، از فرمlabs یا Asiga) می تواند محفظه های سازگار زیستی را تولید کند که از الکترونیک محافظت می کنند در حالی که ساختار بی سیم باقی مانده آرایه های میکرولیومپلکس را نیز چاپ کرده اند - پیش بینی های بهداشتی که به لایه های بیرونی نفوذ می کنند (در مقایسه با یک سنسور درد).

· شکل های سفارشی و عمق

استاندارد CGMs با مکانیسم های ثابت وارد می شود. آداپتورهای پرینت سه بعدی یا نرم افزارسازها می توانند زاویه و عمق رشته سنسور را تنظیم کنند تا با ضخامت لایه زیر برش فرد برای بیماران لاغر مطابقت داشته باشند، یک قرار دادن کم عمق ناراحتی را کاهش می دهد؛ برای کسانی که دارای بافت بیشتر هستند، یک زاویه عمیق تر تضمین می کند که سنسور به نمونه اولیه مایع قابل اعتماد می رسد و قابل اطمینان است که آزمایش های بالینی را تأیید می کند.

برای مطالعه بیشتر، اداره غذا و داروی ایالات متحده راهنمایی هایی را در دستگاه های پزشکی پرینت شده 3D، از جمله ملاحظات مواد و تست عملکرد، ارائه می دهد. FDA: پرینت 3D از دستگاه های پزشکی [FLT 1]

سفارشی سازی اجزای تحویل انسولین: پمپ ها، کانکساس و کانکتور

پمپ های انسولین میکرو دوزها را از طریق یک کانولا وارد بافت زیر پوستی می کنند. مخزن پمپ، وانینگ و تزریق تنظیم می کنند که همه می توانند از چاپ 3D بهره مند شوند.

بهینه سازی طراحی Cannula

فلز استاندارد یا نخ های فلزی مستقیم هستند، اما تولید افزودنی می تواند زمین های منحنی یا جهش یافته ای تولید کند که باعث کاهش آسیب بافت و بهبود پراکندگی انسولین می شود. A cannula چاپ شده با پورت های کوچک جانبی می تواند انسولین را در یک منطقه بزرگتر توزیع کند، به حداقل رساندن تجمع محلی و رزین انعطاف پذیر رزین می تواند با SLA چاپ شده در vitro آزمایش شده و نشان داده شده است که مقاومت در برابر نرخ های جریان تجاری قابل مقایسه با محصولات جریان است.

خانه های پمپ سفارشی و عوامل فرم قابل تحمل

پمپ ها در یک کمربند یا در جیب پوشیده می شوند، اما شکل مستطیلی سفت و سخت آنها می تواند در طول خواب یا ورزش ناراحت کننده باشد.با چاپ 3D، مسکن می تواند به طور ارگونومیک به جای کمر بیمار، ران یا بازوی بالا، چاپ چند ماده ترکیبی از یک هسته سفت برای الکترونیک و سخت و یک لایه بیرونی برای راحتی پوست باشد.

راه حل های Interconnect Solutions

لوله ای که پمپ را به مجموعه تزریق متصل می کند نقطه شکست مشترک است. کانکتور های پرینت شده 3D را می توان با هندسه های ضد نور طراحی کرد که مانع از جدا شدن و قطع تصادفی می شود.

به عنوان مثال، یک تیم در دانشگاه کمبریج یک آداپتور مخزن پمپ انسولین سفارشی چاپ کردند که به بیماران اجازه می داد از سرنگ های استاندارد با مدل پمپ خاص استفاده کنند، سازگاری دستگاه را گسترش دهند. جزئیات این نوآوری ها را می توان در یک مقاله منتشر شده در : افزودنی تولید (2022) یافت.

ادغام و مسکن: افشای الگوریتم و منبع قدرت

الگوریتم کنترل اغلب بر روی یک میکروکنترلر اختصاصی که در داخل پمپ یا یک دستگاه جداگانه قرار دارد اجرا می شود. پرینت 3D امکان نصب محفظه های جمع و جور، مخصوص بیمار را فراهم می کند که از الکترونیک محافظت می کنند در حالی که به راحتی در برابر بدن قرار می گیرند.

سفارشی Fit برای فرستنده های سنسور و پمپ های پچ

بسیاری از سیستم های مصنوعی مدرن از یک پمپ " استفاده می کنند که مستقیما به پوست متصل می شوند. پرینت 3D به بدن پمپ اجازه می دهد تا به اندام اندام فرد شکل بگیرد، کاهش ردپای و بهبود زیبایی شناسی. فرستنده برای CGM همچنین می تواند در یک پوسته سفارشی که با مشخصات سنسور مطابقت دارد قرار گیرد، اطمینان از اتصال سریع.

آب و هوا و ونتینگ

تولید افزودنی می تواند مخازن گازی و کانال های آب و آب را تولید کند که در مسکن ادغام شده اند.مواد چاپ شده مبتنی بر سیلیکون، مهرهای فشرده ای ایجاد می کنند که از رطوبت در حال جلوگیری از خروج باتری جلوگیری می کنند، برای دستگاه هایی که باید در هنگام دوش گرفتن یا شنا استفاده شوند، یک محفظه چاپ شده سفارشی می تواند بدون اضافه کردن عمده محافظت قابل اعتماد را فراهم کند.

یکپارچگی ساختاری و کاهش وزن

ساختارهای Lattice که در داخل مسکن چاپ شده اند می توانند قدرت را حفظ کنند در حالی که کاهش وزن، تجزیه و تحلیل عناصر Finite همراه با طراحی عمومی اجازه می دهد تا دنده های ارگانیک شکل را ایجاد کنند که بارهای را از الکترونیک حساس توزیع می کنند.این نتیجه یک سیستم سبک تر و راحت تر است که هنوز هم در برابر اثرات روزانه مقاومت می کند.

مزایای چاپ 3D در توسعه Pancreas مصنوعی

مزایای تولید افزودنی بسیار فراتر از سفارشی سازی ساده است. مزایای زیر در حال رانندگی توسط هر دو محققان و سازندگان دستگاه تجاری است.

طراحی سریع و سریع

قالب تزریق سنتی نیاز به ابزار گران قیمت دارد که هفته ها طول می کشد تا با چاپ 3D، یک مفهوم را می توان در CAD، چاپ شده در شب، و روز بعد آزمایش کرد.این سرعت چرخه نوآوری را تسریع می کند، به مهندسان اجازه می دهد تا هندسه سنسور، خطوط پمپ و رابط های اتصال به سرعت ارزان و آسان برای دور زدن، تشویق کاوش جسورانه است.

تولید کوچک با هزینه

برای نشانه های نادر بیماری یا جمعیت ویژه بیمار (به عنوان مثال، کودکان، مادران باردار)، حجم تولید ممکن است برای توجیه تولید انبوه بسیار کم باشد. 3D چاپ این شکاف با ساخت یک کلینیک کوچک اقتصادی می تواند ده ها سنسور سفارشی برای نیازهای آناتومی منحصر به فرد بدون در نظر گرفتن هزینه های تنظیم مجدد سفارش دهد.

قابلیت های زیستی و آسایش را افزایش داده است

مواد گواهی شده برای استفاده پزشکی - مانند رزین های کلاس USP، پلیether اتر کتونن (PEEK)، و سیلیکون های پزشکی - در حال حاضر در اشکال قابل چاپ موجود هستند. قطعات چاپ شده از این مواد می توانند از طریق اتوکلاو یا e اتیلن اکسید استریل شوند. خطوط سفارشی نقاط فشار و تحریک پوست را کاهش می دهد، بهبود زمان و رضایت بیمار.

ادغام ویژگی های پیچیده

چاپ 3D اجازه می دهد تا ایجاد ویژگی هایی که با روش های تنگ کننده غیر ممکن است: کانال های داخلی برای سیم کشی سنسور، کلیپ های فوری مناسب که با حلقه کمربند بیمار یا ساختارهای متخلخل که تهویه پوست را ترویج می دهند، شمارش قسمت و ساده سازی مونتاژ، منجر به دستگاه های قابل اعتماد تر.

بهینه سازی درمان بیمار-Specific

هنگامی که اجزای به فرد طراحی شده اند، عملکرد سیستم بهبود می یابد. A cannula که در عمق مطلوب نشسته است انسولین را با ثبات بیشتر ارائه می دهد. سنسور که مطابق با یک شکم منحنی باعث کاهش اثر حرکت می شود، این دستاوردهای افزایشی به کنترل گلیسمی شدید و کمتر حوادث هیپوگلیسمی ترجمه می شود.

چالش ها و ملاحظات نظارتی

علی رغم پتانسیل آن، ادغام چاپ سه بعدی در ساخت پانکراس مصنوعی با موانع مواجه است.

قابلیت های مواد غذایی و Sterilization

تمام مواد قابل چاپ برای تماس با پوست یا سایش طولانی مدت تایید نمی شوند، حتی رزین های سازگار با بیو ممکن است تحت استریل سازی مکرر یا در معرض فرمول های انسولین قرار گیرند. تست ریگورous برای اطمینان از اینکه قطعات چاپ شده مواد شیمیایی leach یا از دست دادن ثبات پس از پردازش - مانند درمان UV، جلا دادن، و یا پوشش - باید برای هر ترکیب مواد تایید شود.

فرآیند تایید مقررات

FDA و دیگر نهادهای نظارتی نیاز به یک سیستم مدیریت کیفیت روشن برای دستگاه های پزشکی پرینت سه بعدی دارند، زیرا فرآیند چاپ می تواند تنوع پذیری (قواشی لایه، منافذ، ابعاد)، تولید کنندگان باید عملکرد سازگار را در سراسر دسته های سفارشی، دستگاه های خاص بیمار - که ممکن است تنها یک بار تولید شوند - مسیر تنظیم کننده می تواند پیچیده باشد.

مقیاس پذیری و قابلیت Reroducibility

در حالی که چاپ 3D در دسته های کوچک برتری دارد، مقیاس به هزاران واحد چالش در از طریق مجوز و تضمین کیفیت را به چالش می کشد. پرینترها باید کالیبره شوند، مواد باید بسیار ردیابی شوند و بازرسی (میکرو-CT، تست کششی) باید به روش های هیبریدی یکپارچه شوند - استفاده از چاپ 3D برای قطعات سفارشی و قالب بندی برای قطعات استاندارد شده - یک زمین متوسط.

هزینه و دسترسی

پرینترهای 3D صنعتی و مواد گواهی شده گران باقی مانده، محدود کردن دسترسی به کلینیک های کوچکتر یا گروه های تحقیقاتی، با این حال، به عنوان فن آوری بالغ و طرح های منبع باز، هزینه ها در حال کاهش است. باز کردن سیستم Pancreas مصنوعی جامعه قبلا اجزای قابل چاپ DIY را نشان داده است، هر چند آنها تایید FDA نیستند.

مسیرهای آینده: Bioprinting و سیستم های کاملا یکپارچه

با نگاهی به جلو، چاپ 3D ممکن است ایجاد یک پانکراس واقعاً زیستی را فعال کند. محققان در حال بررسی (FLT:0) bioprinting مبتنی بر پوست [FLT 1] برای سپرده گذاری سلول های بتای انسولین مخفی در یک داربست محافظت کننده هستند. این سازه ها می توانند به طور زیر لایه ای کاشته شوند، تقلید از پانکراس بومی و از بین بردن نیاز برای سنسورهای خارجی و سنسورهای نیاز دارند.

به طور موازی، سیستم های حلقه بسته به طور کامل 3D چاپ شده نمونه اولیه هستند.یک دستگاه چاپ شده ممکن است یک سنسور گلوکز، یک میکروپپپپپپپپپپ، و یک مدار کنترل محلی در یک پچ انعطاف پذیر را ادغام کند، چنین سیستم هایی قابل مصرف، ارزان و متناسب با آناتومی فردی خواهد بود. A اثبات اخیر از MIT چاپ یک پچ "bionic" که تمام عملکرد های تک در یک مونتاژ اولیه را ترکیب می کند، هر چند که در آزمایش حیوانی باقی مانده است.

راه هیجان انگیز دیگر ] چاپ 4D است، که در آن اجزای چاپی در طول زمان در پاسخ به دما، pH یا غلظت گلوکز تغییر شکل می دهند. A cannula که پس از قرار دادن خود به لنگر خود گسترش می یابد، یا سنسور که حساسیت آن را به طور خودکار تنظیم می کند، می تواند به طور چشمگیری بهبود عملکرد.

برای بیشتر در ساخت های بی نظیر پانکراس، ببینید Bio Materials Science &؛ مهندسی .

نتیجه گیری

چاپ 3D در حال تبدیل طراحی و ساخت اجزای مصنوعی پانکراس است، امکان می دهد سطح سفارشی سازی که قبلاً غیر قابل دسترس بود، از مسکن سنسور شخصی و کانکسوم بهینه شده برای محفظه های پمپ ارگونومیک، تولید افزودنی دستگاه هایی را ارائه می دهد که بهتر هستند، به طور مداوم انجام می دهند و راحتی بیمار را بهبود می بخشد.در حالی که چالش های موجود در مواد، تایید قانونی، مقیاس و قابلیت ادامه، تحقیقات و کاهش هزینه های امید به طور کامل، حتی به افراد نزدیک تر شدن به طور کامل، به طور کامل، به طور کامل، به طور کامل، به طور کامل، به سیستم بینایی، به طور کامل، به طور کامل، به طور کامل، به طور کامل، به سرعت، به طور کامل، به طور کامل، بهبود می دهد.