3D-tulostuksella ja pintakäsittelyillä räätälöityjä ratkaisuja terveydenhuollon ja lääketieteen tarpeisiin (3DPMED)

 Itä-Suomen yliopiston (myöhemmin UEF) ja Savonian yhteinen 3DPMED-hanke alkoi jo huhtikuussa 2019. Hankkeen tavoitteena on ollut kehittää uusia ratkaisuja terveydenhuollossa ja lääketieteessä käytettävien komponenttien toiminnallisuuden, käytettävyyden ja kustannustehokkuuden parantamiseksi soveltamalla erilaisia pintakäsittely/pinnoitusmenetelmiä 3D-tulostustekniikoilla valmistettuihin kappaleisiin. Yhdistämällä 3D-tulostuksen monipuoliset mahdollisuudet, voidaan valmistaa muodoltaan ja rakenteeltaan yksilöllisiä kappaleita sekä niiden pintaominaisuuksien säätämisen erilaisilla pintakäsittelyillä voidaan tuottaa lääketieteen tarpeisiin erittäin laaja valikoima räätälöityjä ratkaisuja. Näitä moninaisia ratkaisuja ovat proteesit, implantit, tukirakenteet, anatomiset mallit, anturit, työkalut jne. Hanke on yhdistänyt UEF:iin ja Savoniaan vuosien varrella kertynyttä runsasta osaamista 3D-valmistus- ja pinnoitustekniikoiden sekä lääketieteen tekniikan aloilta ja on ollut linjassa kansallisen, UEF:n, maakuntaliittojen ja EU:n strategioiden kanssa, joiden teemoina ovat olleet mm. hyvinvointi ja terveys sekä energia-, ympäristö- ja materiaalitehokkaat teknologiat.

Savonia-amk:lle on hankittu viime vuosina erilaisia 3D-tulostustekniikoita niin muovien kuin metallien lisäävään valmistukseen, jotka ovat soveltuneet sekä tutkimuksen että tuotekehityksen tarpeisiin. UEF:ssa 3D-tulostustekniikkaa on hyödynnetty mm. sovelletun fysiikan laitoksella ja laitoksella tehdyn selvityksen perusteella 3D-tulostukselle on käyttöä laajasti yliopiston eri ryhmissä opetuksessa, tutkimuksessa ja hanketoiminnassa, kuten Savonialla ollaan menestyksekkäästi jo tehty. Näistä muutamia lääketieteen puolelle valmistettuja tulosteita on esitetty kuvassa 1.

Polyjet esimerkkikappale
Protech Lahti Oy mallikappale

Kuva 1. Jauhepetitulostimella nailonista tehty käsikipsi. Toinen ja kolmas kuva ovat Stratasysillä polyjet tekniikalla valmistetut hampaat ja keuhkot (Jussi Asikainen).

UEF:ssa ja varsinkin sovelletun fysiikan laitoksella on laajaa osaamista lääketieteellisessä ja ympäristöfysiikassa sekä materiaali- ja pinnoitustekniikassa, ja tässä hankkeessa on hyödynnetty monia laitoksella tutkittuja ja kehitettyjä tekniikoita. Tämä tutkimushanke onkin siten ollut yksi niistä monista, jotka yhdistävät UEF:lla ja Savonialla tehtävää tutkimuksellista yhteistyötä palvelemaan opetustoimintaamme sekä alueen yritysten TKI-toimintaa.

Mutta miksi sitten 3DPMED-hanke jos kerran jo paljon ollaan tehty ja niin paljon osataan UEF:lla sekä Savonialla? Selvitysten perusteella on havaittu 3D-tulostettujen kappaleiden puutteellisen pinnanlaadun rajoittavan alan kehitystä (kuva 2) ja on tunnistettu erilaisten pintakäsittelyiden potentiaali tuottaa räätälöityjä ratkaisuja terveydenhuollon sekä lääketieteen tarpeisiin. Kuvassa 1 on mikroskoopilla otettuja pinnanlaatukuvia polyamidista, polypropeenista ja polyuretaanista 100x suurennoksella ennen pintakäsittelyä.

Polyamidi 100x
Polypropeeni 100x
Polyuretaani 100x

Kuva 2. Mikroskooppikuvat polyamidin, polypropeenin ja polyuretaanin pinnasta (Arvo Tiilikainen).

3D-tulostuksen merkittävimmät edut perinteisiin valmistusmenetelmiin verrattuna ovat tekniikan tehokkuus ja joustavuus –tuotantomäärät tai sarjakoot voivat olla hyvinkin pieniä ja mallit ja piirustukset ovat digitaalisessa muodossa. Terveydenhuollon ja lääketieteen sovelluksissa monista tuotteista saadaan kaikkein suurin hyöty potilaskohtaisesti räätälöitynä, joten 3D-tulostusta onkin hyödynnetty alalla valmistusmenetelmän kehityksen alkuajoista lähtien. 3D-tulostustekniikoiden voimakkaasta kehittymisestä huolimatta monetkaan tulostusmenetelmät eivät vieläkään kykene tuottamaan riittävän hyvää pinnanlaatua, ainakaan tulostusnopeuden merkittävästi kärsimättä, joten moni 3D-tulostettu kappale tarvitsee pinnalleen materiaalia poistavan ja/tai lisäävän jälkikäsittelyn.  

Kappaleen pinta määritteleekin usein sen toiminnallisuuden ja käytettävyyden sisärakennetta enemmän, joten pintakäsittelyillä voidaan parantaa huomattavasti  3D-tulostettujen kappaleiden toiminnallisuutta tai jopa muuntaa niiden pintaominaisuudet kokonaan erilaisiksi (esim. kudoshyljintä, huokoisuus, aktiivinen pinta-ala). Yhdistämällä 3D-tulostusta ja perinteisiä pinnoitustekniikoita  voidaankin valmistaa erittäin laaja valikoima erilaisia sisärakenteeltaan ja pintaominaisuuksiltaan räätälöityjä ratkaisuja. Mutta näistä sitten seuraavissa kirjoitelmissa lisää.

Kirjoittaja Mika Mäkinen
Senior Lecturer of Material Technology
Savonia University of Applied Sciences

Leave a Reply

Your email address will not be published.