Současné klinické aplikace 3D tisku v managementu komplexních zlomenin

Current clinical applications of 3D printing in the management of complex fractures

The field of skeletal traumatology has undergone revolutionary changes worldwide over the last decade with the development of 3D printing technologies. This review aims to provide a comprehensive overview of how 3D printing is transforming fracture treatment and opening up new possibilities in the management of complex fractures. The use of 3D printing in medicine offers a new dimension in precision and customisation of treatment, enabling the creation of personalised surgical templates, individualised implants and tools. The development of 3D printing is closely linked to other technological advances, such as augmented reality methods, which represent a significant step forward in the visualisation and planning of surgical procedures. Although 3D printing offers many advantages, its integration into routine clinical practice still faces many challenges. This article examines the history and development of 3D printing technology, materials used in medicine, preoperative planning, the creation of surgical guides, the fabrication of patient-specific implants, and the integration of 3D printing and augmented reality in skeletal surgery, highlighting the technical, logistical, and ethical challenges of implementing this technology in surgical practice.

Keywords:

Trauma surgery – fracture – 3D printing – augmented reality

Autori: M. Chovanec; M. Krtička; J. Šrámek; J. Kovařík
Pôsobisko autorov: Klinika úrazové chirurgie, Fakultní Nemocnice Brno, Česká republika
Vyšlo v časopise: Rozhl. Chir., 2024, roč. 103, č. 5, s. 158-166.
Kategória: Souhrnné sdělení
doi: https://doi.org/10.33699/PIS.2024.103.5.158–166

Súhrn

Skeletální traumatologie prošla ve světě v poslední dekádě revolučními změnami v souvislosti s rozvojem technologií 3D tisku. Tento přehledový článek má za cíl přinést ucelený přehled o tom, jakým způsobem 3D tisk transformuje oblast léčby zlomenin a otevírá nové možnosti v řešení komplexních zlomenin. Využití 3D tisku v medicíně nabízí nový rozměr v přesnosti a individualizaci léčby, umožňuje vytváření personalizovaných chirurgických šablon, individualizovaných implantátů a nástrojů. Rozvoj 3D tisku je úzce propojen s dalšími technologickými pokroky, jako jsou metody augmentované reality, což představuje významný krok vpřed ve vizualizaci a plánování chirurgických zákroků. Přestože 3D aditivní technologie nabízí řadu výhod, její začlenění do běžné klinické praxe stále čelí mnoha výzvám. Tento článek rovněž zkoumá historii a vývoj technologie 3D tisku, materiály používané v medicíně, předoperační plánování, tvorbu chirurgických cíličů, výrobu pacient specifických implantátů a integraci této technologie spolu s metodami augmentované reality ve skeletální chirurgii, přičemž zdůrazňuje technické, logistické a etické výzvy při implementaci této technologie do chirurgické praxe.

Klíčová slova:

zlomenina – virtuální realita – traumatologie – 3D tisk

ÚVOD

Skeletální traumatologie prošla ve světě v poslední dekádě revolučními změnami v souvislosti s rozvojem technologií 3D tisku. Tato moderní technika postupně vstupuje do klinické praxe, kde pomáhá např. při řešení komplexních zlomenin skeletu. Zde má nezastupitelnou roli ve zlepšování předoperačního plánování a samotné realizaci chirurgických zákroků přizpůsobených individuálním potřebám pacientů a komplexitě jednotlivých poranění. Tento přehledový článek má za cíl přinést ucelený soubor informací o tom, jakým způsobem 3D technologie transformuje oblast léčby zlomenin a otevírá nové možnosti v řešení komplexních zlomenin.

Využití 3D tisku v medicíně, v úrazové chirurgii a ortopedii nabízí nový rozměr v přesnosti a individualizaci léčby. Schopnost tisknout patologicko-anatomické modely komplexních zlomenin z medicínských obrazových dat umožňuje lépe pochopit složité vztahy jednotlivých kostních fragmentů. Tato inovace je přínosná nejen pro chirurgy při plánování a provádění samotné operace, ale hraje také klíčovou roli ve vzdělávání lékařů a při edukaci pacienta.

3D tisk přináší významné výhody v mnoha aspektech léčby nejen poúrazových stavů, ale také při řešení následků onkologických onemocnění, při rekonstrukcích defektního skeletu při postižení tumorem, zejména v oblasti maxilofaciální chirurgie, stomatochirurgie, neurochirurgie a plastické chirurgie. Umožňuje vytváření personalizovaných chirurgických šablon, individualizovaných implantátů a nástrojů, které jsou přizpůsobeny individuálním anatomickým a klinickým potřebám jednotlivých pacientů. Studie ukazují, že použití fyzických modelů pro předoperační plánování může vést ke zkrácení operačního času, dosažení přesnější repozice a dosahovat tak celkově lepších výsledků [1]. Tento přístup je obzvláště užitečný v managementu ošetření zlomenin pánve a acetabula, kde 3D tisk umožňuje chirurgům lépe pochopit rozsah zranění a plánovat méně invazivní a přesnější zákroky [2].

Rozvoj 3D tisku je také úzce propojen s dalšími technologickými pokroky, jako jsou metody augmentované reality. Tyto technologie poskytují chirurgům unikátní kombinaci hmatové zpětné vazby fyzických modelů a dynamické vizualizace, což vede k hlubšímu porozumění mechaniky zlomenin a optimalizovaným chirurgickým postupům. Tento integrovaný přístup představuje významný krok vpřed ve vizualizaci a plánování chirurgických zákroků.

Přestože technologie aditivní výroby nabízí řadu výhod, její začlenění do běžné klinické praxe stále čelí mnoha výzvám. Jedná se především o potřebu biokompatibility, certifikace celého procesu, standardizace technik, analýzu nákladové efektivity a etické otázky spojené s výrobou individuálně zhotovených implantátů. I přes tyto výzvy je potenciál 3D tisku v transformaci skeletální chirurgie obrovský a nezpochybnitelný.

Stručný vývoj technologie 3D tisku

3D tisk, technologie, která dnes zásadně mění mnoho odvětví, má své kořeny v 80. letech 20. století. Jeho počátek je spojen s vynálezem stereolitografie (SLA) Charlesem Hullem v roce 1986. SLA je metoda, která využívá UV laser k postupnému vytváření předmětů vytvrzováním fotosenzitivní polymerové pryskyřice vrstvu po vrstvě. Krátce poté Scott Crump vynalezl proces nazvaný fused deposition modeling (FDM), což přispělo k širšímu rozšíření pojmu „3D tisk“ a položilo základ pro další vývoj aditivní výroby [3].

Během 90. let technologie 3D tisku procházela rychlým rozvojem, přičemž se SLA a FDM technologie staly komerčně dostupnými. V tomto období se objevila také metoda selektivního laserového sintrování (SLS), která rozšířila aplikace 3D tisku o práškové materiály a keramiku [4].

Vstupem do nového tisíciletí se 3D tisk začal intenzivněji začleňovat do průmyslu. Automobilový, letecký průmysl a postupně i zdravotnictví začaly využívat tuto technologii pro své specifické potřeby. Tento trend podpořil vývoj dalších technik, jako jsou digital light processing (DLP) a inkjetový 3D tisk, což umožnilo ještě větší flexibilitu výroby. S nástupem open-source projektů, jako je RepRap (self-replicating rapid prototyper), a s nízkými náklady na desktopové 3D tiskárny se technologie dostala do rukou široké veřejnosti. To vedlo k rychlému rozvoji a řadě inovací, stejně jako k rozšíření používaných materiálů. Kromě tradičních plastů a kovů se začaly používat bioinkousty pro biotisk a další specializované materiály [5]. Dnes je 3D tisk využíván v mnoha oblastech – od výroby individuálních lékařských implantátů přes průmyslové komponenty až po aplikace ve stavebnictví. Rychlost tisku, kvalita, použití nových materiálů a integrace s technologiemi, jako jsou umělá inteligence a robotika, jsou některé z příkladů, kde lze očekávat další pokroky.

V medicíně začal být 3D tisk využíván od 90. let. Jeho první významné aplikace zahrnovaly výrobu zubních implantátů a ortoprotetických pomůcek. V průběhu let se 3D tisk rozšířil do dalších oblastí, k nimž patří chirurgické plánování, tvorba personalizovaných spacerů a implantátů, výroba protéz nebo pilotní výroba tkání a orgánů [6]. V poslední dekádě došlo k exponenciálnímu nárůstu využití 3D tisku v medicíně. Jedním z příkladů je využití 3D tisku pro přesnější a efektivnější chirurgické plánování [7,8].

Dnes prochází technologie 3D tisku obdobím dynamického rozvoje, probíhá integrace do mnoha oblastí medicíny, figuruje jak v již zavedených klinických aplikacích, tak v oblasti základního výzkumu. Důraz je vedle technologického posunu kladen zejména na formální stránku. Jako nezbytná se jeví nutnost jednotné evropské certifikace a začlenění této legislativy do evropského práva.

Materiály pro 3D tisk v medicíně

Technologie 3D tisku v medicíně nabízí bezprecedentní možnost personalizace a přesnost při vývoji lékařských přístrojů, protéz a scaffoldů pro tkáňové inženýrství. Je to dáno rozmanitostí materiálů, které lze využít, přičemž každý z nich má vlastnosti přizpůsobené specifickým klinickým požadavkům [9]. Mezi základní materiály patří kovy, polymery, keramika a hydrogely. Každý z nich nabízí jedinečné výhody pro lékařské aplikace [10].

Kovy, jako jsou titan a nerezová ocel, jsou upřednostňovány pro svou pevnost, odolnost a biokompatibilitu, jsou ideální pro traumatologické i ortopedické implantáty, které mohou být personalizované, a také pro chirurgické nástroje [11].

Polymery, jak syntetické, tak přírodní, jsou využívány díky své univerzálnosti, bioinerci s živými tkáněmi a schopnosti jemného vyladění flexibility. Jak biodegradabilní, tak odbouratelné typy polymerů jsou využívány od výroby různých typů stehů, katétrů až po výrobu syntetických náhrad vazů, vše za splnění podmínky biologického hodnocení zdravotních prostředků ve styku s pacientem dle normy ISO 10993 [9].

Keramika se používá pro svou vynikající biokompatibilitu a podobnost s kostním materiálem, je vhodná pro výrobu kostních štěpů a celou škálu dentálních aplikací [12,13].

Hydrogely vynikají svým využitím v tkáňovém inženýrství, protože poskytují matrici, která věrně napodobuje přirozenou extracelulární matrix a podporuje růst buněk a vývoj tkání [14,15].

Integrace těchto materiálů do technologií 3D tisku vedla k významnému pokroku v regenerativní medicíně a umožnila výrobu scaffoldů, které napodobují růst nových tkání a orgánů. Vývoj bioinkoustů složených z živých buněk smíchaných s podpůrnými materiály otevřel nové možnosti pro bioprint orgánů a tkání a nabízí potenciální řešení problémů s nedostatkem orgánů a jejich kompatibilitou [10].

I přes velký potenciál 3D technologie přetrvávají výzvy v podobě zajištění dlouhodobé biokompatibility, strukturální integrity 3D tištěných materiálů, stejně jako vyřešení legislativních otázek ve striktně nastaveném zdravotnickém prostředí. Probíhající výzkum a technologický pokrok však slibují překonání těchto překážek a rozšíření možností 3D tisku v medicíně.

Předoperační plánování ve skeletální chirurgii

Hlavní výhoda 3D tisku v předoperačním plánování spočívá v jeho schopnosti poskytnout chirurgovi hmatatelné zobrazení anatomie konkrétního pacienta. Integrace technologie 3D tisku do rutinní chirurgické praxe umožňuje vytvářet pacient specifické anatomické modely a nabízí chirurgům novou úroveň pochopení vzájemných prostorových vztahů komplexních zlomenin a anatomických poměrů.

Tradiční zobrazovací techniky jsou sice informativní, ale často nesou omezení při zprostředkování komplexních prostorových vztahů anatomických struktur. 3D modely tuto mezeru překlenují tím, že chirurgům umožňují fyzickou interakci s modelem a jeho zkoumání, čímž zlepšují chirurgovo porozumění a prostorové povědomí, toto umožňuje přizpůsobit chirurgické strategie a implantáty, v konečném důsledku tak zvyšují přesnost a efektivitu chirurgických zákroků.

Lee, et al. (2022) poukazují ve své studii na významné výhody použití technologie trojrozměrného tisku a mapování zlomenin při léčbě zlomenin pánve a acetabula. Zdůrazňují zkrácení peroperačního času, expozice intraoperačnímu zobrazování, menších pooperačních komplikací, snížení krevních ztrát a zlepšení výsledků repozice ve srovnání s tradičními operačními metodami [16]. Hu, et al. (2024) prokázali účinnost metody miniinvazivní osteosyntézy (MIPO) v kombinaci s 3D tiskem u řešení komplexních zlomenin proximálního humeru. Tato studie zdůrazňuje výhody oproti tradičním metodám otevřené repozice včetně vyšší efektivity operace v podobě nižšího výskytu komplikací spolu s kratším operačním časem, menší intraoperační ztrátou krve a rychlejším hojením zlomeniny [17].

Ukázalo se, že realizace chirurgických simulací s využitím 3D tištěných modelů zvyšuje bezpečnost a účinnost zákroků, zejména u složitých případů. Sufianov, et al. (2023) upozornili na využití 3D modelování a tisku při předoperačním plánování kranioplastiky a personalizovaném nácviku léčby kraniosynostóz. Tato metoda založená na důsledné individualizaci umožnila přesné chirurgické plánování a také provádění simulací, což významně snížilo intraoperační rizika a zlepšilo výsledky operačních zákroků [18].

Klasický algoritmus vytvoření 3D modelu komplexní zlomeniny zahrnuje získání obrazových dat pacienta z různých zobrazovacích modalit pracujících v 3D prostoru, typicky CT, low dose CT, případně magnetické rezonance. Dalším krokem je segmentace obrazových dat do podoby definitivního 3D modelu. Předpokladem pro rychlou a jednoduchou segmentaci 3D modelu z CT je kvalitní kontrastní CT, submilimetrové CT řezy a ideálně absence kovových předmětů (implantátu, zevního fixátoru atp.), které způsobují výrazné zhoršení obrazu a významně prodlužují segmentaci, která se pak stává časově nejnáročnějším krokem v celém procesu. Výsledkem jsou virtuální modely, které je možné přímo využít během předoperační přípravy nebo se s nimi dá dále pracovat, viz (Obr. 1). Hotový model je třeba následně připravit v tzv. Sliceru, což je specializovaný software, který virtuální model připraví pro tisk, a jeho výstupem je tzv. G-code, tedy soubor informací definující již konkrétní pohyby tiskové hlavy nebo podložky tiskárny v případě FDM tisku, případně osvitové schéma při použití SLA tisku jako výstupní technologie. V této fázi je také možné definovat rozlišení, materiál a celkovou podobu modelu, jak je zobrazeno na (Obr. 2). Takto vytvořený model (Obr. 3) je dále možné použít ať už v předoperačním období v rámci plánování, nebo v případě tisku z biokompatibilního materiálu (Obr. 4) také na operačním sále ve sterilním prostředí [19].

Dalším logickým krokem je přechod na integrační přístup digitálního plánování zahrnující simulace ve virtuální realitě, kdy je možné předvídat a strategicky plánovat složité operační postupy s větší přesností, což vede ke zkrácení operačního času a menšímu výskytu komplikací. Případná kombinace těchto technologií (3D tisk, plánování v CAD a simulace operačních postupů v augmentované realitě) ještě dále prohlubuje množství informací získaných z 3D rekonstrukcí a ve finále zlepšuje výsledky operací, například u komplikovaných poranění pánve či páteře [20].

Bylo prokázáno, že 3D tisk má díky možnosti přesného předoperačního plánování významný dopad na zkrácení doby trvání operací a pooperačních hospitalizací, minimalizaci rizika peroperačních komplikací a zkrácení doby rekonvalescence. Green (2017) ve své disertační práci zkoumal vliv použití vlastních 3D tištěných modelů jako nástroje pro předoperační plánování komplexních zlomenin. Jeho práce jasně potvrdila, že 3D tisk výrazně redukuje operační čas nutný k ošetření komplexních zlomenin patní kosti [21].

Nezastupitelnou roli tato technologie hraje v případě řešení komplikovaných zlomenin a následných komplikací primární nebo revizní endoprotetikou, kdy její využití zlepšuje přesnost umístění a velikosti implantátu a vede ke zkrácení operačního času a k nižší incidenci pooperačních komplikací [22].

3D tištěné modely slouží také jako účinný komunikační nástroj, který zlepšuje spolupráci mezi členy multidisciplinárního týmu, podílejícími se na péči o pacienta.

Obr. 1: Segmentace dat z CT rekonstrukcí v programu 3D Slicer
Fig. 1: Segmentation of CT reconstruction data in 3D Slicer

Obr. 2: Model zlomeniny distálního bérce připravený ve sliceru pro SLA tisk
Fig. 2: Distal tibia fracture model prepared in slicer for SLA printing

Obr. 3: Vytištěný model zlomeniny páteře
Fig. 3: Printed model of spinal fracture

Obr. 4: Vytištěný model zlomeniny lopatky s LCP dlahou natvarovanou podle modelu
Fig. 4: Printed model of scapulla with the locking compresion plate shaped according to the model

Thorn, et al. poskytli pohled na perioperační užitečnost 3D tištěných modelů ve 106 složitých chirurgických případech. Studie zdůraznila, jak tyto modely usnadňují diskuze a rozhodovací procesy mezi chirurgy, radiology a dalšími zdravotnickými pracovníky [23]. Práce Samaila, et al. (2023) zdůrazňuje přidanou hodnotu 3D tištěných modelů komplexních zlomenin během předoperačního plánování a také vyšší compliance pacienta, pokud je informovaný souhlas a edukace pacienta prováděna na základně práce s 3D modelem, kdy pacienti získají jasnější představu o svém poranění, možnostech léčby a postupu následné rekonvalescence [1].

Užití 3D tisku u komplikovaných zlomenin skeletu v úrazové chirurgii a ortopedii představuje významný pokrok v předoperačním plánování, v přesnosti repozice zlomenin a v umístění implantátů.

Tisk chirurgických cíličů

Současná technologie 3D tisku a softwarového modelování umožňuje vytvářet chirurgické cíliče specificky přizpůsobené potřebám pacienta. Tato anatomická vodítka lze využít například při korekčních osteotomiích, resekcích tumorů nebo při umisťování šroubů v anatomicky komplexních oblastech, jako jsou pánev nebo krční páteř. Řešení komplexních poúrazových deformit předloktí pomocí vícerovinné osteotomie, případně rozsáhlé rekonstrukční výkony v oblasti dolní čelisti pomocí štěpu z fibuly by bez precizní předoperační přípravy a přesně vedené osteotomie za pomoci anatomického cíliče nebylo v praxi možné provést. Z historického hlediska plyne dominantní využití této technologie hlavně ve zmíněné maxilofaciální chirurgii, avšak postupně se rozšiřuje i do oblasti skeletální traumatologie, spondylochirurgie a oblasti rekonstrukčních či korekčních plastických zákroků. Cíliče zhotovené na míru pacientovi přinášejí zvýšenou přesnost v umístění implantátů, umožňují přesně určit roviny osteotomie, objektivně vedou ke snížení invazivity zákroku a zvyšují jistotu chirurga během operace. Jedním z příkladů využití tohoto přístupu je léčba komplexní zlomeniny acetabula. Merema, et al. (2017) prezentovali proces vývoje 3D implantátů a vrtacích šablon na míru, využívajících data získaná z CT vyšetření, která jsou následně zpracována v plánovacím softwaru specializovaném na medicínská obrazová data. Byl vytvořen 3D model jak poškozené, tak zdravé strany a s využitím porovnání obou byl také vytvořen virtuální model zlomeniny po repozici. Na základě tohoto modelu byla simulována přesná trajektorie všech šroubů, což umožnilo zakázkovou výrobu titanových dlah a polyamidových vrtacích šablon, jež během operace umožnily přesnou repozici zlomeniny a použití ideálně padnoucího implantátu. Výsledkem studie bylo dosažení lepší repozice zlomeniny a snížení rizika komplikací oproti tradičním metodám léčby zlomenin acetabula [2]. Hoekstra, et al. (2016) popsali postup korekční osteotomie dlouhých kostí s využitím 3D tištěných custom made cíličů. Studie kladla důraz na fázi předoperačního plánování, kdy byly odchylky korigovány virtuálně po zrcadlení zdravé strany pro určení přesné roviny osteotomie. Proces určil přesnou polohu K-drátů, otvorů pro vrtání a místa osteotomie [24]. Studie Schweizera, et al. (2013) se zabývá trojrozměrnou korekcí intraartikulárních deformit a pakloubů distálního radia po primárním ošetření zlomeniny osteosyntézou s využitím 3D tištěných cíličů. Metodika umožnila vícerovinnou korekci v jedné době a dosažení nejlepší možné korekce dle zrcadleného modelu zdravé strany [25].

Výroba anatomických spacerů

Historický význam používání cementových spacerů v léčbě traumatických a postinfekčních kostních defektů je nezpochybnitelný z několika důvodů. Anatomické spacery vyplňují defekty způsobené ztrátou kostní tkáně, čímž předcházejí kolapsu sousedních tkání a brání další resorpci kosti. Tato prevence je zásadní pro zachování správných anatomických proporcí, což je klíčové pro budoucí rekonstrukci kostní tkáně. Spacery poskytují dočasnou podporu oblasti s kostním defektem a pomáhají udržet strukturální integritu postižené kosti, čímž snižují riziko dalších zranění a podporují léčebný proces. V případě, že kostní defekt je důsledkem infekce, nebo pokud toto riziko hrozí v budoucnu, je možné využít spacerů nasycených antibiotiky pro sanaci infekčního ložiska nebo jako preventivní opatření. Začlenění 3D tisku do výroby spacerů umožnilo vytváření na míru vyrobených, anatomických spacerů, což přineslo značnou anatomickou přesnost a umožnilo léčbu dříve komplikovaných případů, jako jsou intraartikulární zlomeniny, nebo parciální kostní defekty, kde je jakákoli anatomická nepřesnost neakceptovatelná (Obr. 5). Anatomicky přesné spacery usnadňují plánování definitivního rekonstrukčního výkonu tím, že pomáhají vizualizovat rozsah defektu, plánovat velikost, objem a tvar štěpu nebo implantátu potřebného k rekonstrukci (Obr. 6). To je obzvláště důležité v komplexních případech s výrazně změněnou anatomií. Udržení správných anatomických proporcí hraje klíčovou roli v šanci na úspěšnou obnovu funkce postižené oblasti nebo končetiny. Keramické spacery obohacené o osteokonduktivní materiály mohou být navrženy tak, aby podporovaly vaskularizaci a osteointegraci, což je další krok k optimalizaci výsledků léčby. Takto vyrobené dočasné spacery nebo definitivní kostní výplně jsou předmětem zájmu inženýrství kostní tkáně (BTE – bone tissue engeneering) a oborů regenerativní medicíny (RM). Významným aspektem je i psychologický komfort pacientů, kteří vědí, že defekt je vyřešen způsobem, který zachovává přirozenou anatomii a usnadňuje tak budoucí rekonstrukční výkon. Toto povědomí může být zásadní pro celkové zotavení a compliance pacienta.

Jariwala, et al. (2016) se zabývali potenciálem aditivní výroby včetně 3D tisku v oblasti výroby personalizovaných kostních nosičů (scaffoldů). Možnost přizpůsobit scaffoldy z hlediska chemického složení, tvaru, pórovitosti a anatomického tvaru má potenciál výrazně zlepšit výsledky u pacientů s kostním traumatem, nádorem, infekcí nebo vrozenými abnormalitami. Tento pokrok nabízí slibnou alternativu k tradičním léčebným postupům, které nedokážou kopírovat anatomický tvar ani strukturu defektní kostní tkáně [26].

Mayfield, et al. (2022) podávají přehled současných strategií pro řešení segmentálních kostních defektů a zdůrazňují dominantní úlohu 3D tisku při vytváření spacerů, které lze optimalizovat z hlediska techniky tisku, výběru materiálu, geometrie scaffoldu a biologických přísad. Cílem tohoto přístupu je zlepšit regeneraci a inkorporaci kosti a potenciálně změnit pohled na léčbu kostních defektů [27].

Arealis a Nikolaou (2015) diskutují nové směry v řešení vrozených nebo získaných kostních defektů, které mohou být důsledkem traumatu, infekce, nádoru a neúspěšné arthroplastiky. Tradiční techniky vyplnění kostních defektů nahrazují postupy kostního inženýrství v rámci regenerativní medicíny (RM), nabízející alternativní možnosti léčby, které mají za cíl překlenout tradiční limity klasických spacerů a scaffoldů pomocí technik BTE. Tyto techniky jsou však náročné a mají svá vlastní omezení. Zavedení 2D a 3D tisku kostí představuje významný pokrok, překonávající mnoho omezení předchozích metod. Výsledky tisku kostí jsou popsány jako mimořádně slibné, otevírající nové hranice v managementu kostních defektů [28].

Xue, et al. (2022) se zabývají problémy léčby kostních defektů v klinické praxi a představují pokrok v technologii tkáňového inženýrství za pomoci 3D tisku. Jejich technologie umožňuje navrhovat personalizované kostní scaffoldy, které jsou anatomicky přesné, s vynikajícími mechanickými vlastnostmi a dobrou biokompatibilitou [29].

Tetsworth, et al. (2017) zdůrazňují využití 3D tištěných titanových příhradových klecí vyrobených na míru pacientovi ve spojení s Masqueletovou technikou při řešení segmentálních kostních defektů. Tento přístup podtrhuje schopnost 3D tisku dodávat implantáty vyrobené na míru pacientovi, což umožňuje přesnou rekonstrukci normální anatomie během definitivní operace [30].

Tyto případové studie společně ilustrují transformační potenciál 3D tisku ve skeletální chirurgii, zejména při léčbě kostních defektů a léčbě komplikovaných zlomenin. Schopnost vyrábět customizované scaffoldy, které přesně napodobují strukturu a funkci přirozené kosti, nabízí významný pokrok oproti tradičním metodám řešení kostních defektů.

Obr. 5: Tištěná polyuretanová forma a v ní vytvořený anatomický spacer z cementu
Fig. 5: Printed polyurethane mould and moulded anatomical spacer

Obr. 6: Návrh artikulace a trajektorie fixačních prvků custom-made implantátu v plánovacím software
Fig. 6: Design of articulation and trajectory of fixation points of the custom-made implant in the planning software

Vývoj a výroba pacient specifických implantátů

Nástup technologie 3D tisku v managementu péče o komplexní zlomeniny umožňuje výrobu chirurgických implantátů na míru konkrétnímu pacientovi, které důsledně respektují jeho anatomické poměry, stejně jako umožňuje vyrobit implantát například jen parciálního kloubního povrchu na míru pacientovi s částečně artikulárním kostním defektem. Použití komerčně dostupných, ve velké míře standardizovaných implantátů by nedokázalo dosáhnout podobného výsledku. Pacient specifické implantáty zlepšily výsledky chirurgických zákroků díky větší přesnosti, zkrácení peroperačního času a dokonalejší repozici díky lepšímu uložení a funkčnosti implantátů.

Na našem pracovišti jsme již ve 2 případech úspěšně využili implantaci pacient specifických 3D tištěných titanových implantátů v kombinaci s pacient specifickým cementovým antibiotickým spacerem v rámci etapového ošetření otevřené ztrátové zlomeniny distálního bérce a nohy (Obr. 7).

Obr. 7: Anatomický custom made implantát z titanu pro pacienta se ztrátovým poraněním talu
Fig. 7: Anatomical custom-made titanium implant for a patient after talar extrusion

Rozšíření technologií 3D tisku, jako je laserová a elektronová prášková fúze, umožnilo zakázkovou výrobu personalizovaných implantátů, zejména implantátů ze slitin titanu. Díky těmto technologiím vznikla po celém světě in-house 3D tisková centra v nemocnicích a v místech poskytování zdravotné péče, která se zaměřují na komplexní, na míru navržený přístup při řešení komplexních zlomenin, ale uplatňují se také v oblasti kardiologie, transplantologie nebo rekonstrukční chirurgie [31].

Využitelnost 3D tisku pro chirurgické plánování a výrobu pacient specifických implantátů v maxilofaciální chirurgii se prokázala ve významném zlepšení a přesné obnově čelistních poúrazových deformit. Tento přístup umožňuje vyhnout se běžným obtížím spojeným s předem vyrobenými implantáty, které respektují anatomickou variabilitu pouze v omezené míře [32]. Nezastupitelná je i úloha 3D tisku při vývoji implantátů postupně uvolňujících léčiva. Zvláště tam, kde je nutná výroba implantátů s přizpůsobitelnými tvary, specifickými mechanickými vlastnostmi a profily postupného uvolňování léčiva, které řeší individuální potřeby pacientů v různých lékařských oborech [33]. Zavedení 3D tisku v orální a maxilofaciální chirurgii prostřednictvím virtuálního chirurgického plánování a 3D tištěných pacient specifických cíličů a implantátů vedlo ke zvýšení přesnosti repozice, stejně tak i k dosažení lepších pooperačních výsledků [34].

Integrace 3D tisku a augmentované reality ve skeletální chirurgii

Integrace technologií 3D tisku a rozšířené reality (AR) transformovala moderní přístupy ke skeletální chirurgii. Díky těmto inovacím je možné lépe plánovat operace, dosahovat vyšší přesnosti a poskytovat pacientům personalizovanou péči. Integrace těchto dvou technologií přináší komplexní řešení pro náročné požadavky v oblastech ortopedické onkologie, traumatologie a rekonstrukční chirurgie.

Využití 3D tisku pro vytváření pacient specifických modelů přesně napodobujících jednotlivé anatomické struktury, umožňuje chirurgům detailně plánovat a předem si nasimulovat chirurgické zákroky. Rozšířená realita tyto možnosti obohacuje o interaktivní anatomické vizualizace v reálném čase, které jsou mapovány přímo na tělo pacienta během operačního výkonu. Tato synergie nejenže zlepšuje prostorové vnímání chirurga, ale také umožňuje hlubší porozumění komplexním anatomickým vztahům, což přispívá k lepšímu výsledku operace.

Recentní studie potvrzují efektivitu propojení 3D tisku a AR v kostní chirurgii. Moreta-Martinez, et al. (2021) představili inovativní řešení, které kombinuje 3D tisk a rozšířenou realitu v ortopedické onkologické chirurgii, s nadějnými výsledky v oblasti přesnosti vizualizace a potvrzením použitelnosti během chirurgických zákroků. Nejzásadnějším problémem při fúzi virtuálního modelu a skutečného těla pacienta je otázka přesného mapingu a nalezení přesných referenčních bodů, které umožní odpovídající a anatomicky přesný překryv virtuálního modelu [35]. Další studie výzkumné skupiny Morety-Martineze, et al. (2018) ukázala metodu využívající 3D tisk pro vytváření pacient specifických referenčních zařízení, která jsou schopná automaticky nalézt referenční body a spolehlivě zajistit automatický mapping modelu [36].

Kromě zvýšení chirurgické přesnosti se ukázalo, že kombinace 3D tisku a rozšířené reality zlepšuje proces informovaného souhlasu a obecně proces komunikace s pacientem. Ayoub, et al. (2019) upozornili na široké využití těchto technologií v orální a maxilofaciální chirurgii včetně virtuálního plánování a intraoperační navigace, které významně zvyšují přesnost zákroků v zubní implantologii a ortognátní chirurgii [37].

Aplikace AR v roboticky asistované ortopedické chirurgii, jak ve studii popsali Iqbal, et al. (2021), zdůrazňuje synergický potenciál AR a 3D tisku při rozšiřování schopností chirurgických robotů a zlepšování ergonomie při jejich obsluze [38].

Integrace 3D tisku a rozšířené reality ve skeletální chirurgii představuje významný pokrok v chirurgické praxi. Kombinací personalizovaných, fyzických modelů, které poskytuje 3D tisk, s dynamickými, interaktivními vizualizacemi, které nabízí rozšířená realita, mohou chirurgové dosáhnout nebývalé úrovně přesnosti a efektivity při plánování a provádění operací. S dalším vývojem těchto technologií se očekává, že jejich kombinované využití v klinické praxi bude stále rozšířenější.

Technické, logistické a etické výzvy při implementaci 3D tisku do chirurgické skeletální praxe

Implementace 3D tisku do chirurgické praxe přináší řadu technických a logistických výzev. Na prvních místech stojí zajištění kvality, kalibrace softwaru i hardwaru a s tím související přesnosti tisku. To vyžaduje pokročilé a licencované 3D tiskárny, ale také biokompatibilní materiály a sofistikovaný software pro segmentaci a práci s modelem. Dalším významným aspektem je integrace 3D tisku do stávajících chirurgických workflow. Každý krok musí být pečlivě koordinován a každý proces musí splňovat všechny regulační požadavky řízení kvality a standardy pro medicínské zařízení. Sterilizace musí proběhnout bez poškození jejich struktury, změny velikosti nebo funkčnosti. Etické aspekty při implementaci 3D tisku do medicíny se týkají především personalizované péče, soukromí a rovnosti přístupu. Ochrana osobních údajů a soukromí pacientů je další klíčovou otázkou. Při návrhu a vytváření medicínských zařízení obecně je třeba mít na zřeteli důsledné zabezpečení dat, zdravotnické instituce a výzkumné týmy musejí zajistit, že všechna data používaná pro 3D tisk jsou zpracovávána v souladu s GDPR směrnicí EU. Všichni pacienti musejí být plně informováni o všech aspektech léčby využívající 3D tisk, to zahrnuje zajištění informovaného souhlasu, aby mohli učinit poučené rozhodnutí o své léčbě. Implementace 3D tisku do chirurgické praxe nabízí evidentní zlepšení péče o pacienty, je však doprovázena řadou technických, logistických a etických výzev. Překonání těchto překážek vyžaduje multidisciplinární přístup, inovativní řešení a pevné etické zásady, které zajistí, že výhody této revoluční technologie budou maximálně využity pro dobro pacientů.

ZÁVĚR

3D tisk představuje revoluční technologii, která postupně začíná pronikat do běžné denní praxe v kostní chirurgii. V současné době je této metody užíváno zvláště v předoperačním plánování. Studiem patologicko-anatomického modelu zlomeniny v reálné velikosti dochází ke zlepšení prostorové představivosti chirurga, ten je obohacen o tzv. hmatový vjem, který zvyšuje schopnost repozice a následné fixace zlomeniny. Současně také v rámci předoperační přípravy na modelu lze dopředu natvarovat osteosyntetický materiál, změřit délku fixačních šroubů a tím vytvořit předpoklad pro dokonalé kostní hojení a zároveň i zkrátit operační čas a snížit peroperační krevní ztrátu.

Další samostatnou kategorii představují 3D tištěné pacient specifické implantáty, které lze využít například u ztrátových zlomenin, resekčních výkonů u nádorových onemocnění kostí nebo jako dočasné či trvalé kostní náhrady např. v neurochirurgii.

Kombinace 3D tisku s rozšířenou realitou a virtuálním plánováním je logickým spojením otevírajícím nové možnosti zefektivnění chirurgické léčby.

Konflikt zájmů

Autoři článku prohlašují, že nejsou v souvislosti se vznikem tohoto článku ve střetu zájmů a že tento článek nebyl publikován v žádném jiném časopise, s výjimkou kongresových abstrakt a doporučených postupů.

Zdroje

Samaila EM, Negri S, Zardini A, et al. Value of three-dimensional printing of fractures in orthopaedic trauma surgery. J Int Med Res. 2020;48(1):300060519887299. doi:10.1177/0300060519887299.
Merema BJ, Kraeima J, Duis KT, et al. The design, production and clinical application of 3D patient-specific implants with drilling guides for acetabular surgery. Injury 2017;48(11):2540–2547.doi:10.1016/j.injury.2017.08.059.
Azlin M, Ilyas R, Zuhri M, et al. 3D printing and shaping polymers, composites, and nanocomposites: A review. Polymers 2022;14,180. doi:10.3390/polym14010180.
Quan H, Zhang T, Xu H, et al. Photo-curing 3D printing technique and its challenges. Bioactive Materials 2020;5(1):110–115. doi:10.1016/j.bioactmat.2019.12.003.
Woern AL, Byard DJ, Oakley RB, et al. Fused particle fabrication 3-D printing: Recycled materials’ optimization and mechanical properties. Materials 2018;11(8):1413. doi:10.3390/ma11081413.
Manero A, Smith P, Sparkman J, et al. Implementation of 3D printing technology in the field of prosthetics: Past, present, and future. Int J Environ Res Public Health 2019;16(9):1641. doi:10.3390/ijerph16091641.
Lee AK, Lin TL, Hsu CJ, et al. Three-dimensional printing and fracture mapping in pelvic and acetabular fractures: A systematic review and meta-analysis. J Clin Med. 2022;11(18):5258. doi:10.3390/ jcm11185258.
You Y, Niu Y, Sun F, et al. Three-dimensional printing and 3D slicer powerful tools in understanding and treating neurosurgical diseases. Front Surg. 2022;9:1030081. doi:10.3389/fsurg.2022.1030081.
Beato PS, Poologasundarampillai G, Nommeots-Nomm A, et al. Materials for 3D printing in medicine: metals, polymers, ceramics, and hydrogels. In: Kalaskar DM, editor. 3D printing in medicine (2nd edition). Woodhead Publishing Series in Biomaterials. Woodhead Publishing 2023:59–103. doi:10.1016/B978-0-323-89831-7.00002-X.
Peleshok SA, Golovko KP. 3D printing and medicine. Russian Military Medical Academy Reports 2022;41(3):325–333. doi:10.17816/rmmar88645.
Kozior T, Bochnia J, Zmarzly P, et al. Waviness of freeform surface characterizations from austenitic stainless steel (316L) manufactured by 3D printing-selective laser melting (SLM) technology. Materials 2020;13(19):4372. doi:10.3390/ ma13194372.
Poologasundarampillai G, Nommeots-Nomm A. Materials for 3D printing in medicine: Metals, polymers, ceramics, hydrogels. In Kalaskar D, editor 3D Printing in medicine. Woodhead Publishing Ltd. 2017:43–71. doi:10.1016/B978-0-08-100717-4.00002-8.
Mamo HB, Adamiak M, Kunwar A. 3D printed biomedical devices and their applications: A review on state-of-the-art technologies, existing challenges, and future perspectives. J Mech Behav Biomed Mater 2023;143:105930. doi:10.1016/j. jmbbm.2023.105930.
Li Z, Wang Q. Recent patents on 3D printing technology in artificial bone printing devices, materials and related applications. Recent Patents on Engineering 2023;17(5):24–35. doi:10.2174/1872212116666220520123545.
Lee A, Lin TL, Hsu CJ, et al. Three-dimensional printing and fracture mapping in pelvic and acetabular fractures: A systematic review and meta-analysis. J Clin Med. 2022;11(18):5258. doi:10.3390/ jcm11185258.
Hu C, Qiu B, Cen C, et al. 3D printing assisted MIPO for treatment of complex middle-proximal humeral shaft fractures. BMC Musculoskelet Disord. 2024;25(1):1–12. doi:10.1186/s12891-024-07202-w.
Uhl JF, Sufianov A, Ruiz C, et al. The use of 3D printed models for surgical simulation of cranioplasty in craniosynostosis as training and education. Brain Sci. 2023;13(6):894. doi: 10.3390/brainsci13060894.
Mosleh M, Santaniello T, Rizzetto F, et al. Hybrid additive fabrication of a transparent liver with biosimilar haptic response for preoperative planning. Diagnostics 2021;11(9):1734. doi:10.3390/diagnostics11091734.
Tejo-Otero A, Buj-Corral I, Fenollosa-Artés F. 3D printing in medicine for preoperative surgical planning: A review. Ann Biomed Eng. 2020;48(2):536–555. doi:10.1007/s10439-019-02411-0.
Paramasivam V, Sindhu, Singh G, et al. 3D printing of human anatomical models for preoperative surgical planning. Procedia Manufacturing 2020;48:684–690. doi:10.1016/j.promfg.2020.05.100.
Green N. Impact of in-house 3D printing used as a preoperative planning aid for complex fracture treatment. Masters by research thesis. Queensland University of Technology 2017. doi:10.5204/thesis. eprints.113727.
Maryada VR, Mulpur P, Eachempati KK, et al. Pre-operative planning and templating with 3-D printed models for complex primary and revision total hip arthroplasty. J Orthop. 2022;34:240–245. doi:10.1016/j.jor.2022.09.004.
Thorn C, Ballard J, Lockhart C, et al. The perioperative utility of 3D printed models in complex surgical care: feedback from 106 cases. Ann R Coll Surg Engl. 2023;105:747–753 doi:10.1308/rcsann.2022.0127.
Hoekstra H, Rosseels W, Sermon A, et al. Corrective limb osteotomy using patient specific 3D-printed guides: A technical note. Injury 2016;47(10):2375–2380.doi:10.1016/j.injury.2016.07.021.
Schweizer A, Fürnstahl P, Nagy L. Three-dimensional correction of distal radius intra-articular malunions using patient-specific drill guides. J Hand Surg Am. 2013;38:2339–2347. doi:10.1016/j. jhsa.2013.09.023.
Jariwala SH, Lewis G, Bushman ZJ, et al. 3D Printing of personalized artificial bone scaffolds. 3D printing and additive manufacturing 2015;2(2):56–64. doi:10.1089/3dp.2015.0001.
Mayfield CK, Ayad M, Lechtholz-Zey E, et al. 3D-printing for critical sized bone defects: Current concepts and future directions. Bioengineering 2022;9(11):681. doi:10.3390/bioengineering9110680.
Arealis G, Nikolaou V. Bone printing: new frontiers in the treatment of bone defects. Injury 2015;46(Suppl 8):S20–S22. doi:10.1016/S0020-1383(15)30050-4.
Xue N, Ding X, Huang R, et al. Bone tissue engineering in the treatment of bone defects. Pharmaceuticals 2022;15(7):879. doi:10.3390/ph15070879.
Tetsworth K, Block S, Glatt V. Putting 3D modelling and 3D printing into practice: virtual surgery and preoperative planning to reconstruct complex post-traumatic skeletal deformities and defects. SICOT J. 2017;3:16. doi:10.1051/sicotj/2016043.
Murr L. Global trends in the development of complex, personalized, biomedical, surgical implant devices using 3D printing/additive manufacturing: A review. Med Devices Sens. 2020;3:e10126. doi:10.1002/MDS3.10126.
Singh TS, Bhola N, Reche A. The utility of 3D printing for surgical planning and patient-specific implant design in maxillofacial surgery: A narrative review. Cureus 2023;15(11):e48242. doi:10.7759/cureus.48242.
Domsta V, Seidlitz A. 3D-printing of drug-eluting implants: An overview of the current developments described in the literature. Molecules 2021;26(13):4066. doi:10.3390/molecules26134066.
Chakravarthy D, Bijja S, Karthik A, et al. 3D printing in oral and maxillofacial surgery. International Journal of Innovative Research in Medical Science 2023;8(08):325–334. doi:10.239558/ijirms/vol-08-i08/1705.
Moreta-Martinez R, Pose-Díez-de-la-Lastra A, Calvo-Haro JA, et al. Combining augmented reality and 3D printing to improve surgical workflows in orthopedic oncology: smartphone application and clinical evaluation. Sensors (Basel) 2021;21(4):1370. doi:10.3390/s21041370.
Moreta-Martinez R, García-Mato D, García-Sevilla M, et al. Augmented reality in computer-assisted interventions based on patient-specific 3D printed reference. Health Technol Lett. 2018;5(5):162–166. doi:10.1049/htl.2018.5072.
Ayoub A, Pulijala Y. The application of virtual reality and augmented reality in oral & maxillofacial surgery. BMC Oral Health 2019;19:238. doi:10.1186/s12903-019-0937-8.
Iqbal H, Tatti F, Baena F. Augmented reality in robotic assisted orthopaedic surgery: A pilot study. J Biomed Informatics 2021;120:103841. doi:10.1016/j. jbi.2021.103841.