Aditívne technológie v medicínskych aplikáciách

So strojníckou fakultou ČVUT v Prahe, presnejšie Ústavom mechaniky, biomechaniky a mechatroniky, nás spája dlhá história. A to nielen preto, že je nám táto oblasť blízka. Naša spolupráca začala už v roku 1998, kedy si strojnícka fakulta, ako jedna z prvých, zaobstarala 3D tlačiareň s technológiou FDM.

ČVUT rekonštrukcia lebky upíra

Ústav sa zameriava predovšetkým na vzdelávanie. Zaoberá sa však aj vedeckovýskumnou činnosťou v oblasti strojného inžinierstva a biomechaniky človeka. Ide najmä o vývoj kĺbových a cievnych náhrad, či náhrad skeletu človeka, výskum tkanív a orgánových štruktúr a vývoj materiálov pre náhrady. Výskum a vývoj prebieha od návrhov a výpočtov až po testovanie mechanických vlastností.

História 3D tlače na ČVUT v Prahe začala v roku 1998, kedy padlo rozhodnutie o obstaraní prvej 3D tlačiarne Stratasys FDM 1650 s rovnomennou technológiou FDM (Fused Deposition Modeling). Po deviatich rokoch potom pribudla ďalšia 3D tlačiareň Stratasys Prodigy Plus, ktorú si v ústave pochvaľujú už 14 rokov a stále s ňou aktívne pracujú. V roku 2018 bolo portfólio tlačiarní doplnené o ďalšie dve zariadenia –  Fortus 450mc  s technológiou FDM a  Stratasys J750  s technológiou PolyJet .

Pracovníci aj študenti ústavu využívajú 3D tlačiarne predovšetkým na vizualizáciu svojich konštrukčných návrhov, vytvorených v CAD programe. Vyvíjajú tiež skúšobné a meracie prípravky, ak im to dané materiálové vlastnosti dovolia. Ďalej tlačiarne používajú na tvorbu anatomických modelov na základe získaných digitálnych dát zo zobrazovacích systémov (CT, MRI), kedy vytvoria 3D objemový model a potom vytlačia fyzický model. Tak vznikol napr. experimentálny model vokálneho traktu človeka pre štúdium fonácie. Nemenej dôležité sú modely pre antropológiu, kedy je možné napr. podľa kostrových pozostatkov lebky úplne zrekonštruovať tvár.

ČVUT 3D tisk lebky upíra

Rekonštrukcia tváre „hradeckého upíra“ podľa kostrových pozostatkov

Jednou zo zaujímavých zákaziek z antropológie, ktorú v poslednej dobe v ústave realizovali, bola rekonštrukcia tváre tzv. hradeckého upíra, ktorý pravdepodobne zomrel v prvej tretine štrnásteho storočia. Kostra bola nájdená v Hrádku nad Nisou, pochovaná tvárou k zemi, z čoho sa vyvodzuje, že mohlo ísť o človeka, ktorého jeho súčasníci považovali za upíra a v polohe na bruchu ho pochovali preto, aby nemohol vstať z hrobu.

Lebku „upíra“, ktorá bola z veľkej časti poškodená, bolo potrebné najskôr nasnímať pomocou počítačovej tomografie. Na základe skenu vznikol trojrozmerný model pôvodnej lebky a potom bol na 3D tlačiarni Stratasys Prodigy Plus s technológiou FDM vytlačený fyzický model. S jeho pomocou bola potom vytvorená kompletná rekonštrukcia tváre.

Úspora času a tvorba zložitej geometrie

Hlavný cieľom rozšírenia portfólia 3D tlačiarní v Ústave mechaniky, biomechaniky a mechatroniky bola snaha ušetriť čas pri zhotovení fyzického modelu z počítačového návrhu. Rovnako flexibilita dvoch technológií (FDM, Polyjet), a z toho vyplývajúci počet variantov vo vývojovom procese, hrali pri rozhodovaní dôležitú úlohu. V neposlednom rade tiež schopnosť vyrobiť diely so zložitou geometriou, ktoré je ťažké, ak nie nemožné, vyrobiť inou technológiou. Komplikovanosť geometrie nepredstavuje pre 3D tlač žiadny problém. Prakticky čokoľvek je namodelované v 3D, je možné vytlačiť niektorou z dnes existujúcich technológií 3D tlače.

A prečo sa na ČVUT v Prahe rozhodli hneď pre niekoľko našich zariadení? Predovšetkým preto, že naše 3D tlačiarne spĺňali všetky technické požiadavky a prihliadalo sa aj na ich prevádzkové vlastnosti.