Druk 3D jako przyszłość protetyki
Protezy kiedyś a protezy dziś
Protezy towarzyszyły ludziom od bardzo dawna - najstarsze odkryte przykłady to protezy palców u nóg sprzed około 3000 lat. Znamy także przykład protezy nogi wykonanej z brązu i wydrążonego drewna, mocowanej skórzanymi pasami z roku 300 przed naszą erą. Największe postępy w dziedzinie protetyki przyniosły jednak wojny. W XVI wieku, francuski chirurg Ambroise Paré projektował czysto funkcjonalne protezy dla weteranów wracających z pola walki. Zostawił też za sobą pierwsze pisemne wzmianki o protezach. Amerykańska wojna secesyjna spowodowała konieczność przeprowadzenia rekordowej dotychczas liczby amputacji, co z kolei zainspirowało nowe patenty protez, w tym pierwsze próby włączenia amortyzacji do projektów by zmniejszyć ból i dyskomfort związany z noszeniem protezy.
Materiały takie jak drewno, żelazo i skóra były w użyciu aż do 20 wieku, kiedy to zaczęły być wypierane przez lżejsze surowce takie jak plastik. Obecnie wykorzystuje się również aluminium, tytan i silikon, a nowoczesne technologie, takie jak skanowanie i modelowanie 3D oraz druk przestrzenny pozwalają na znaczną poprawę jakości życia pacjentów. Protezy są lżejsze i wygodniejsze niż kiedykolwiek, znacznie lepiej dopasowane do ciała, a naukowcy pracują doskonaleniem sterowania protezą za pomocą impulsów elektrycznych - dzięki elektrodom łączącym protezę z istniejącymi mięśniami możliwe jest poruszanie syntetyczną kończyną za pomocą mózgu.
Protezy drukowane w 3D
Zastosowanie druku 3D przy produkcji protez niesie wiele korzyści - nie tylko większą wygodę dla pacjenta, ale również znacznie szybsze wytwarzanie protezy i zmniejszone koszty, co pozwala pomóc większej ilości osób w krótszym okresie czasu i zwiększa dostępność tych urządzeń dla potrzebujących. To z kolei otwiera drzwi dla działalności charytatywnej. Przyjrzyjmy się temu, jak druk 3D zmienia protetykę na lepsze.
Protezy rąk
Unlimited Tomorrow, firma założona przez pasjonata robotyki Eastona LaChapelle gdy ten miał zaledwie 18 lat, produkuje TrueLimb - zaawansowane protezy mioelekryczne, czyli zasilane ładunkiem elektrycznym wytwarzanym przez mięśnie. Zainspirowany przez spotkanie z dziewczynką, która korzystała z nieergonomicznej, nie przypominającej ludzkiej ręki protezy kosztującej aż 80 tysięcy dolarów, LaChapelle wziął sobie za cel obniżenie kosztów protez dla przeciętnego człowieka.
Unlimited Tomorrow wykorzystuje technologię druku 3D nie tylko przy produkcji samych protez, ale i przy procesie dopasowywania. Firma opracowała technologię, która pozwala przeprowadzić mierzenie zdalnie, przy użyciu regulowanych pasków i nasadek drukowanych na drukarce 3D w oparciu o dane ze skanu 3D od klienta. Inżynierowie dopasowują protezę nie tylko pod względem wygody, ale nawet precyzyjnie odtwarzają kolor skóry, tak by TrueLimb, zgodnie ze swoją nazwą, był jak najbardziej zbliżony do prawdziwej kończyny. Co równie ważne, proteza daje wrażenie zmysłu dotyku. Rezultat kosztuje ok. 8 tysięcy dolarów dla dorosłego i 4 tysiące dolarów dla dziecka, przy czym firma współpracuje z rodzinami dzieci by dostosowywać protezę do ich wzrostu. Dzięki technologii dopasowania na odległość i wsparciu darczyńców, Unlimited Tomorrow bezpłatnie pomaga również weteranom wojny w Ukrainie oraz cywilom, którzy stracili kończynę w wyniku tego konfliktu.
Ludzi po amputacji lub z wrodzonym ubytkiem kończyn, którzy nie mogą sobie pozwolić na wydatek rzędu kilku tysięcy dolarów jest jednak znacznie więcej. Na ich potrzeby stara się odpowiedzieć inicjatywa e-NABLE. Rozpoczęta przez Ivana Owena, kierownika Makerspace Lab na Uniwersytecie Waszyngtońskim i Richarda, stolarza z Republiki Południowej Afryki, od 2011 roku objęła niemal cały świat. Ten charytatywny projekt ma na celu zapewnienie dostępu do protez rąk i przedramion ludziom w największej potrzebie finansowej, zarówno dzieciom, jak i dorosłym. Dostępne jest kilka modeli, w tym mocowane na nadgarstku lub łokciu. e-NABLE daje też możliwość zgłoszenia własnego projektu protezy, który przechodzi dokładne testy i ocenę, zanim zostanie dopuszczony do produkcji. Choć są to mniej zaawansowane urządzenia niż te produkowane przez np. Unlimited Tomorrow, spełniają ważne warunki: są zarówno mobilne, jak i zbliżone kształtem do ludzkiej dłoni, i pomimo pewnych ograniczeń, pozwalają na większą rangę ruchu i aktywności. Wykorzystanie druku 3D pozwala na personalizację koloru w zależności od wykorzystanego filamentu - ku radości najmłodszych (i nie tylko), wiele produkowanych przez e-NABLE protez ma wesołe, żywe barwy.
e-NABLE bezpłatnie uzupełnia projekty protez na drukarki 3D w systemie open-source, wraz z instrukcjami ich wykonania i składania. Koszt wykonania jednej protezy to tylko ok. 30 dolarów. Kluczową rolę w przedsięwzięciu biorą ochotnicy, których liczba stale rośnie. To właśnie oni, pod nadzorem specjalistów, wykonują protezy dla najbardziej potrzebujących. Do grona wolontariuszy należą grupy studentów, biblioteki, szkoły, pasjonaci majsterkowania i inni zrzeszeni w tzw. chapterach. Również w Polsce działa grupa e-NABLE, którą znajdziecie na Facebooku.
Protezy nóg
Drukowanie 3D otwiera drzwi dla rozwiązań, które jeszcze niedawno wydawały się niemożliwe. Herb Barrack, protetyk z dekadami doświadczenia, kiedyś rzeźbił protezy nóg ręcznie z drewna, co, jak można sobie wyobrazić, zajmowało dużo czasu. Teraz współpracuje z Joshuą Pelz i Lucą De Vivo Nicoloso, doktorami PhD inżynierii, jako współzałożyciel Limber P&O. Ich celem jest jak najszybsze postawienie pacjentów “na nogi”, co osiągają dzięki technologii przestrzennego drukowania protezy w jednym kawałku, co trwa tylko pół dnia. Taka szybka produkcja nie byłaby możliwa bez druku 3D. Na podstawie skanu kończyny, który pacjent może wykonać za pomocą iPhone’a, w procesie drukowania 3D tworzona jest lekka, wytrzymała konstrukcja, zapewniająca wysoki poziom wygody. Obecnie Limber produkuje protezy mocowane poniżej kolana, ale firma chce w przyszłości drukować także funkcjonalny staw kolanowy.
Częściej druk 3D stosuje się przy wykonywaniu precyzyjnie dopasowanych lejów protetycznych, czyli tej części, która bezpośrednio przylega i obejmuje kikut nogi, zapewniając stabilność i oparcie dla ciała i zamocowanie dla reszty protezy. Różni producenci wprowadzają do procesu swoje innowacje: niemiecka firma Ottobock, lider w dziedzinie protetyki i produkcji egzoszkieletów, opracowała metodę drukowania struktury podobnej do wnętrza kości przy użyciu specjalnych urządzeń proszkowych. Taka struktura zapewnia zarówno wytrzymałość jak i dozę elastyczności. Quorum Prosthetics wyposaża leje protetyczne w regulację kompresji i dopasowanie nałożenia protezy do różnych aktywności, co przekłada się na większy komfort i wszechstronność protezy.
Nie tylko dla ludzi
Z protez drukowanych przestrzennie mogą korzystać nie tylko ludzie, ale i nasi czworonożni lub pierzaści przyjaciele. Protezy, także drukowane przestrzennie, ratują życie zwierząt, które padły ofiarą kłusowników lub wypadków, albo urodziły się z niepełnosprawnością.
Uroczy psiak Derby miał od urodzenia zniekształcone, niewładne nogi. Firma 3D Systems wraz z producentem ortez i wózków dla zwierząt Animal Ortho Care opracowała spersonalizowane protezy 3D dla Derby, dzięki którym może swobodnie biegać nawet kilka kilometrów dziennie.
Druk 3D postawił także na nogi pingwina małego o imieniu Bagpipe w Nowej Zelandii, który stracił kończynę po zaplątaniu w żyłkę wędkarską. Don Clucas z University of Canterbury zaprojektował dla Bagpipe protezę nogi, dzięki której może wygodnie stać i chodzić z równie rozprowadzonym ciężarem ciała, a także pływać.
Drukowanie przestrzenne pozwala zastąpić nie tylko łapy lub nogi, ale również inne niezbędne do przetrwania części ciała zwierząt. W 2005 roku, Jane Fink Cantwell i Nate Calvin z Kinetic Engineering Group wykonali protezę dzioba dla orła bielika o imieniu Beauty, który został postrzelony w głowę przez kłusownika. W 2014 roku podobnego wyczynu dokonali specjaliści z Omni3D i MTT Polska, tworząc drukowany w 3D dziób dla pingwina afrykańskiego z Warszawskiego Zoo.
Mr Stubbs, aligator, który miał nieszczęście wpaść w ręce przemytników zwierząt, stracił ogon. Opiekunowie z Phoenix Herpetological Society próbowali znaleźć rozwiązanie od 2013 roku. W 2018 roku z pomocą przyszedł Justin Georgi, ekspert anatomii z Midwestern University, oraz lokalna firma zajmująca się drukiem 3D. Wspólnymi siłami stworzyli protezę ogona, która pozwala na swobodny ruch i odżywianie, i dzięki której Mr. Stubbs wreszcie zaczął zdrowo rosnąć.
Choć zwierzęta po amputacji najczęściej nie mogą żyć na wolności, druk 3D pozwala im wieść swobodniejsze, godne życie w rezerwatach. Nie potrzeba powodu, aby pomagać zwierzętom w trudnej sytuacji, ale dane zebrane przy pracy nad protezami zwierzęcymi mogą także pomóc w doskonaleniu protez dla ludzi.