Rapid prototyping: een veelbelovende methode

Transcriptie

1 T.M. Haverman, K.H. Karagozoglu, H-J. Prins, E.A.J.M. Schulten, T. Forouzanfar Rapid prototyping: een veelbelovende methode Rapid prototyping is een methode die het mogelijk maakt een driedimensionaal model te vervaardigen op basis van tweedimensionale beeldvorming. Voor modellering bestaan verschillende methoden, zoals stereolithografie, selectief lasersinteren, laser-metaalsinteren, twee-fotonpolymerisatie, gelamineerde objectmodellering, driedimensionaal printen, driedimensionaal plotten, polyjet inkjettechnologie, gefuseerde depositiemodellering, vacuümgieten en frezen. De diverse methoden die in de biomedische sector worden toegepast, verschillen onderling in productieproces, materiaal en eigenschappen van het geproduceerde driedimensionale model. Rapid prototyping wordt vooral gebruikt voor preoperatieve planning, simulatie, educatie en onderzoek naar en ontwikkeling van de biotechnologische mogelijkheden. Haverman TM, Karagozoglu KH, Prins H-J, Schulten EAJM, Forouzanfar T. Rapid prototyping: een veelbelovende methode Ned Tijdschr Tandheelkd 2013; 120: doi: /ntvt Inleiding In de biomedische sector werd tot voor kort vooral gebruikgemaakt van tweedimensionale beeldvormende methoden. Een veelbelovende methode, het zogeheten rapid prototyping, maakt het nu mogelijk een driedimensionaal model te vervaardigen op basis van tweedimensionale beeldvorming met computertomografie (CT-scan) en/ of magnetic resonance imaging (MRI-scan). Rapid prototyping kan onder andere worden toegepast voor preoperatieve planning, educatie en onderzoek naar en ontwikkeling van de biotechnologische mogelijkheden. Toepassing Rapid prototyping is een methode waarbij fysieke objecten relatief snel kunnen worden gereconstrueerd. Het is de volgende stap op het gebied van computergestuurd ontwerpen ( computer-aided designing ; CAD) en computergestuurd vervaardigen ( computer-aided manufactoring CAM). De methode werd in de jaren 80 van de vorige eeuw ontwikkeld en is sindsdien voor verschillende doeleinden gebruikt, variërend van de productie van bouwkundige modellen tot de vorming van sculpturen voor kunsttentoonstellingen. Sinds de introductie in de biomedische sector wordt deze methode voornamelijk gebruikt voor de planning en simulatie van chirurgische behandelingen in de neurochirurgie, de orthopedische chirurgie en de mond-, kaak- en aangezichtschirurgie (Bagaria et al, 2011). Het merendeel van de preoperatieve planning van chirurgische behandelingen wordt nu nog uitgevoerd met behulp van conventionele röntgenopnamen, CT-scans en/of MRI-scans. Deze conventionele beeldvormende methoden hebben enkele beperkingen, waaronder een beperkte nauwkeurigheid. Uitkomsten van metingen kunnen worden beïnvloed door bijvoorbeeld verandering van positie van de patiënt en verandering van de vergroting. Hoewel de preoperatieve planning met behulp van computertomografische opnamen nauwkeuriger is dan met conventionele röntgenopnamen is het toch niet mogelijk exacte metingen te verrichten van complexe structuren. Met de driedimensionale beeldvorming en modellering wordt het mogelijk een gedetailleerd driedimensionaal beeld en model te vervaardigen van complexe anatomische (bot)structuren waardoor een betere preoperatieve planning mogelijk is (Bagaria et al, 2011). Een voorbeeld van de toepassing van rapid prototyping is beschreven in intermezzo 1. Werking Met rapid prototyping kan een driedimensionaal model worden gereconstrueerd op basis van tweedimensionale afbeeldingen. Het proces van de omzetting van tweedimensionale afbeelding naar een driedimensionaal model bestaat uit 3 onderdelen: data-acquisitie, beeldverwerking en vervaardiging van een model. De benodigde anatomische informatie kan worden verkregen door middel van CT-scans en/of MRI-scans. Met de informatie van deze beeldvormende methoden kunnen anatomische structuren en afwijkingen gelaagd worden weergegeven. Met behulp van een computerprogramma kan de weergave van een driedimensionaal beeld worden gemodificeerd door verschillende weefsels met verschillende dichtheden te definiëren voor weergave. Hierdoor is het mogelijk weefsels van elkaar te scheiden (segmenteren), waardoor bijvoorbeeld alleen botweefsel wordt weergegeven. Na selectie en segmentatie van het beeldmateriaal kan een patiëntspecifiek driedimensionaal model worden geprint. De nauwkeurigheid van een driedimensionaal model wordt beschreven met de term dimensionale resolutie. De resolutie van een tweedimensionaal beeldscherm is gelijk aan het aantal pixels (beeldpunten) op het beeldscherm. In principe geldt: hoe hoger de kwaliteit van het beeldscherm, hoe hoger de kwaliteit van de getoonde beelden. Een hoge dimensionale resolutie betekent dat het model uit een groot aantal beeldpunten bestaat. Een model met een hoge dimensionale resolutie laat derhalve een nauwkeuriger beeld zien dan een model met een lage dimensionale resolutie (Bagaria et al, 2011). Diverse methoden Er zijn diverse methoden om een driedimensionaal model te vervaardigen. Nederlands Tijdschrift voor Tandheelkunde maart 2013

2 Intermezzo 1 Een 54-jarige man werd op de afdeling Spoedeisende Hulp van een universitair medisch centrum gepresenteerd na een bedrijfsongeval. De patiënt had meerdere botfracturen opgelopen, waaronder een dubbelzijdige fractuur van het corpus mandibulae (afb. 1). Vanwege de ernst van de verwondingen werd de patiënt in eerste instantie op de afdeling Intensieve Zorg opgenomen. Na enkele dagen kon de patiënt worden overgeplaatst naar een verpleegafdeling. Vanwege de forse lokale zwelling in het gebied van de mandibula werd besloten de chirurgische behandeling enkele dagen uit te stellen totdat de zwelling was afgenomen. In de tussentijd werd een softwareprogramma gebruikt voor de segmentatie en de vervaardiging van een driedimensionaal reconstructiemodel, gebaseerd op gegevens van de eerder gemaakte computertomografiescan. De weergave werd gemodificeerd zodat alleen de botstructuren zichtbaar waren. Vervolgens konden de fractuurdelen met behulp van de software digitaal in een anatomische stand worden geplaatst zodat een model kon worden gemaakt dat gelijk was aan de oorspronkelijke anatomische situatie van voor het ongeval (afb. 2 en 3). Door middel van rapid prototyping met een driedimensionaal printsysteem werd het model uitgeprint (afb. 4). Op dag 4 van de ziekenhuisopname was de lokale mandibulazwelling afgenomen en kon de patiënt de chirurgische behandeling ondergaan. Preoperatief werd het model gebruikt om de osteosyntheseplaten aan te passen. Via een extraorale benadering werden de fractuurdelen gereponeerd en met behulp van de aangepaste osteosyntheseplaten in de anatomische stand gefixeerd. Het postoperatieve beloop was ongecompliceerd met een goed herstel van functies en op dag 11 kon de patiënt uit het medisch centrum worden ontslagen. a b Afb. 1. Driedimensionaal beeld van de mandibula met aan beide zijden een gefractureerd corpus mandibulae; vooraanzicht (a) en zijaanzicht (b). Afb. 2. Linguaal aanzicht van een driedimensionaal model van de mandibula met aan beide zijden een gefractureerd corpus mandibulae. a b a b Afb. 3. Driedimensionaal model van de mandibula na repositie van de fractuurdelen; linguaal aanzicht (a) en zijaanzicht (b). Afb. 4. Uitgeprint driedimensionaal model; linguaal aanzicht (a) en zijaanzicht (b). Stereolithografie Een veel toegepaste methode is stereolithografie. Bij deze methode wordt fotopolymeer, een vloeibare hars, door een laserstraal laag voor laag gepolymeriseerd. De diverse lagen komen overeen met de dwarsdoorsneden van het te reconstrueren object. Het driedimensionale model wordt op deze wijze van onder naar boven laagsgewijs opgebouwd (afb. 5). De belangrijkste voordelen van deze methode zijn de grote nauwkeurigheid door een dimensionale resolutie van μm en de mogelijkheid om dergelijke driedimensionale modellen te steriliseren. Stereolithografie wordt reeds toegepast in de mondzorg (Mavroidis et al, 2011). Selectief lasersinteren en laser-metaalsinteren Twee vergelijkbare methoden zijn selectief lasersinteren en laser-metaalsinteren. Hierbij wordt een driedimensionaal model vervaardigd uit een poedersubstraat. Een laserstraal verwarmt het poedersubstraat waardoor poederdeeltjes samensmelten en een dwarsdoorsnede van het model wordt gevormd (afb. 6). Dit proces wordt sinteren genoemd. De niet-verwarmde poeder biedt ondersteuning aan het model tijdens de vervaardiging en wordt verwijderd als het uiteindelijke driedimensionale model is gevormd. Selectief lasersinteren maakt meestal gebruik van plasticpoeder en laser-metaalsinteren maakt gebruik van metaalpoeder. Beide methoden worden reeds toegepast in de mondzorg (Ibrahim et al, 2009; Mavroidis et al, 2011). Nederlands Tijdschrift voor Tandheelkunde maart 2013

3 straal Poeder container straal Egalisatie poederoppervlak Vloeibaar hars Afb. 5. Stereolithografie. Twee-fotonpolymerisatie Bij twee-fotonpolymerisatie wordt ook gebruikgemaakt van hars en een laser. Deze methode is gebaseerd op de gelijktijdige opname van 2 fotonen na blootstelling aan een laser. Deze opname veroorzaakt een chemische reactie tussen moleculen en monomeren. Bij deze methode wordt de hars belicht met infrarood licht. Hars is namelijk transparant voor een laserstraal uit het infrarode lichtspectrum. Dat betekent dat een infrarode laserstraal zich vrij door de hars kan bewegen in een X-, Y- en Z-as. De twee-fotonpolymerisatie methode is uniek omdat het een echt driedimensionaal proces is. Het model bestaat niet uit lagen hars of poeder die aan elkaar hechten, maar uit 1 blok hars waaruit het model wordt gesneden, dit in tegenstelling tot andere methoden (afb. 7). Bovendien is het een snelle, simpele methode die bijzonder nauwkeurig is met een dimensionale resolutie van 0,1 μm (Wu et al, 2006). Gelamineerde objectmodellering technologie wordt eveneens toegepast bij gelamineerde objectmodellering. Hierbij wordt gebruikgemaakt van papier- of plasticfolie. Via geleidingsrollen wordt de folie over het bouwplatform bewogen en met een verwarmde lamineerrol worden de folielagen aan elkaar gelijmd. Na Afb. 6. Selectief lasersinteren en laser-metaalsinteren. het lamineren wordt de gewenste contour door een laser uit de folie gesneden. Op deze manier wordt een driedimensionaal model laag voor laag opgebouwd (afb. 8). De methode zorgt voor een lage spanning tussen onderdelen, waardoor vervorming wordt voorkomen. Andere voordelen zijn de lage kosten en de mogelijkheid grote driedimensionale modellen en/of onderdelen te produceren. Een nadeel van deze methode is de beperkte nauwkeurigheid (Mueller en Kochan, 1999). Driedimensionaal printen Driedimensionaal printen, ook wel additieve fabricagetechnologie genoemd, maakt gebruik van de zogeheten inkjet printtechnologie. Het driedimensionale model wordt gevormd door het printen van een vloeibaar bindmiddel op een dunne laag poeder. De poeder wordt eerst nauwkeurig en gelijkmatig verdeeld over een platform. In plaats van het papier onder de printkoppen te laten bewegen, zoals bij een tweedimensionale printer, worden bij driedimensio- Infrarood licht Hars Verwarmde lamineerrol straal Lamineerlagen Y-as straal Z-as X-as Afb. 7. Twee fotonpolymerisatie. Aanvoerrol folie Afb. 8. Gelamineerde objectmodellering. Afvoerrol folie Nederlands Tijdschrift voor Tandheelkunde maart 2013

4 Reservoir vloeibaar bindmiddel Steriel filter Ultraviolet licht voor desinfectie Poeder container Egalisatie poederoppervlak Printerkop Thermostaat Plot materiaal (met cellen) 3D model Plot medium Afb. 10. Driedimensionaal plotten. Afb. 9. Driedimensionaal printen. naal printen de printkoppen over een bed van poeder bewogen. De volgende laag wordt boven op de deze laag geprint (afb. 9). Uiteindelijk wordt het driedimensionale model nog afgewerkt door het te verharden met een vloeibare was, lak of componentenlijm. Deze methode heeft een dimensionale resolutie van 200 μm. De voordelen zijn de lage kosten en de snelle productie (Ibrahim et al, 2009). Driedimensionaal plotten Driedimensionaal plotten bestaat in essentie uit de afgifte van viskeus materiaal in een vloeibaar medium met een overeenkomende dichtheid. Het materiaal consolideert op het moment dat het in contact komt met het medium en het medium compenseert de zwaartekracht zodat geen platform nodig is (afb. 10). Dit is een bijzondere methode omdat het de mogelijkheid biedt een driedimensionaal model te vormen van hydrogel. Hydrogel is een polymeer dat water goed kan absorberen. De voordelen van hydrogel zijn flexibiliteit, structurele gelijkenis met de extracel- lulaire matrix en permeabiliteit voor zuurstof en metabolieten. Bovendien is het mogelijk levende cellen en verschillende celtypen in het productieproces te gebruiken. Hierdoor is deze methode bijzonder geschikt voor onderzoek naar en ontwikkeling van de biotechnologische mogelijkheden. Als levende cellen worden verwerkt in het productieproces wordt ultraviolet licht gebruikt voor desinfectie en gaat het viskeuze materiaal door een steriele filter. Deze methode heeft een dimensionale resolutie van 250 μm. Het nadeel van driedimensionaal plotten is dat de mechanische stabiliteit van het model gering is en daardoor niet is te gebruiken bij falende implantaten. Bovendien is het een langzaam proces (Landers et al, 2002). Polyjet inkjettechnologie Polyjet inkjettechnologie is een methode die het mogelijk maakt onderdelen die zijn gemaakt van verschillende soorten materialen met verschillende mechanische en/of fysische eigenschappen in 1 keer af te drukken en in 1 model te verwerken. Bovendien heeft deze methode een hoge dimensionale resolutie van 16 μm. De methode werkt door het opspuiten van een fotopolymeerhars in ultradunne lagen. Ter versteviging van het model wordt een wateroplos- X-as Y-as Reservoir thermoplastisch boetseermateriaal Fotopolymeer hars Printkop Ultraviolet licht Uitdrijfkop boetseermateriaal Z-as Afb. 11. Polyjet inkjettechnologie. Afb. 12. Gefuseerde depositiemodellering. Nederlands Tijdschrift voor Tandheelkunde maart 2013

5 Siliconen worden onder vacuüm rondom het model gegoten Frees Verspanende bewerking Moedermodel Moedermodel wordt verwijderd Richting materiaal Afb. 14. Frezen. Duplicaat Afb. 13. Vacuümgieten. Siliconen mal wordt gevuld met tweecomponenten polyurethaan bare substantie gelijktijdig met de hars uitgedreven. Elke fotopolymeerlaag wordt direct na het opspuiten belicht met ultraviolet licht. Hierdoor kan het driedimensionale model direct worden gebruikt, zonder polymerisatie vooraf (afb. 11). Deze methode wordt eveneens toegepast in de hedendaagse mondzorg (Ibrahim et al, 2009). Gefuseerde depositiemodellering De gefuseerde depositiemodellering is te vergelijken met een heet lijmpistool dat gesmolten lijm uitdrijft. Een temperatuurgereguleerde uitdrijvingskop wordt gevoed met thermoplastisch boetseermateriaal dat wordt verwarmd tot een semivloeibare vorm. De kop drijft het materiaal uit in ultradunne lagen (afb. 12). Het gestolde materiaal hecht zich aan de voorafgaande gevormde laag met een dimensionale resolutie van 250 μm. Gefuseerde depositiemodellering is een goedkope methode (Armillotta et al, 2007). Vacuümgieten Bij vacuümgieten wordt gebruikgemaakt van gegoten siliconen mallen. Eerst wordt een moedermodel vervaardigd door middel van stereolithografie of selectief lasersinteren. Vervolgens worden siliconen onder vacuüm rondom dit model gegoten. Na het uitharden wordt de mal geopend en het model verwijderd. Met deze mal kunnen kopieën worden gemaakt. Voor deze duplicaten wordt vaak tweecomponenten polyurethaan gebruikt, waardoor een snelle productie van hoge kwaliteit mogelijk is (afb. 13). Vacuümgieten wordt vaak gebruikt voor het maken van kleine series (10 tot 20) functionele kunststof prototypen. Binnen de geneeskunde wordt het onder andere gebruikt voor de vervaardiging van kunststof hartkleppen (Armillotta et al, 2007). Frezen Bij frezen wordt materiaal verspanend verwijderd met behulp van een frees. Een frees is een snijgereedschap met vertandingen die dienen als beitels bij de bewerking van houten, metalen of kunststof modellen. Met een roterende frees wordt een profiel of uitsparing verkregen van het materiaal waardoor een driedimensionaal model kan worden gevormd (afb. 14). Een freesmachine werkt en ontwerpt computergestuurd (CAD/CAM). Deze methode wordt in de mondzorg onder andere gebruikt voor het maken van kronen of inlays. Voor- en nadelen Rapid prototyping kent een aantal voordelen. Het driedimensionale model maakt het mogelijk de anatomie van een specifieke patiënt beter te bestuderen. Een complexe chirurgische behandeling kan hierdoor beter worden voorbereid en gepland. Bij een geplande reconstructie na een oncologische en/of craniofaciale chirurgische behandeling kan het reconstructiemateriaal van te voren op een patiëntspecifiek driedimensionaal model worden gevormd en kan de positie van fixatieschroeven worden bepaald. Defecten kunnen hierdoor nauwkeuriger worden gereconstrueerd. Een gunstige bijkomstigheid is de verkorte duur van de algehele anesthesie en de behandeling. Het patiëntspecifieke reconstructiemateriaal is reeds preoperatief op een driedimensionaal model vervaardigd en gesteriliseerd, waardoor dit niet peroperatief hoeft te gebeuren (Bagaria et al, 2011). Een nieuwe ontwikkeling is de toepassing van rapid prototyping op het gebied van de regeneratieve geneeskunde. De regeneratieve geneeskunde is het onderdeel van de geneeskunde dat zich bezighoudt met het (re)genereren van functionele weefsels en organen ten behoeve van het herstel van zieke lichaamsdelen (Langer en Vacanti, 1993). Hierbij wordt gebruikgemaakt van autologe en allogene celtransplantatie. De voordelen van een autologe celtransplantatie zijn dat er geen chronische afstootreactie tegen het getransplanteerde orgaan of weefsel zal plaatsvinden en dat er geen tekort meer zal zijn aan donoren. De rol van rapid prototyping binnen deze nieuwe ontwikkelingen is het creëren van een patiëntspecifieke mal waarin de lichaamseigen cellen kunnen worden gekweekt. Met patiëntspecifiek wordt bedoeld dat de mal de vorm heeft van het afwijkende/zieke weefsel of orgaan van de patiënt. De cellen hechten zich aan de mal die op zijn beurt ondersteuning biedt. Vervolgens wordt de mal met cellen teruggeplaatst in het lichaam, waarna de cellen in vivo groeien naargelang de vorm van de mal. Idealiter is een mal resor- Nederlands Tijdschrift voor Tandheelkunde maart 2013

6 beerbaar zodat het na vorming van het weefsel of orgaan niet nodig is de mal te verwijderen. Het uiteindelijke doel is weefsel of een orgaan te vervaardigen van lichaamseigen cellen in een lichaamseigen vorm. Concreet betekent dit dat het in de toekomst wellicht mogelijk is stamcellen uit te laten groeien tot botweefsel en hiermee botdefecten te herstellen (Langer en Vacanti, 1993). Er zijn echter ook nadelen aan rapid prototyping. Hoewel de werkwijze internationaal bekend staat als rapid prototyping kan het enkele uren duren om een model te vervaardigen. Het kan daarom (nog) niet worden toegepast in acute behandelsituaties. Tevens vervallen de voordelen op het moment dat peroperatief een verandering van het behandelplan moet plaatsvinden (Bagaria et al, 2011). Summary Rapid prototyping: a very promising method Rapid prototyping is a method which makes it possible to produce a threedimensional model based on two-dimensional imaging. Various rapid prototyping methods are available for modelling, such as stereolithography, selective laser sintering, direct laser metal sintering, two-photon polymerization, laminated object manufacturing, three-dimensional printing, threedimensional plotting, polyjet inkjet technology, fused deposition modelling, vacuum casting and milling. The various methods currently being used in the biomedical sector differ in production, materials and properties of the three-dimensional model which is produced. Rapid prototyping is mainly used for preoperative planning, simulation, education, and research into and development of bioengineering possibilities. Slotbeschouwing Rapid prototyping is een veelbelovende en opkomende methode die binnen de geneeskunde voor verschillende doeleinden kan worden gebruikt. De verwachting is dat de methode de komende jaren voornamelijk zal worden toegepast voor preoperatieve planning van behandelingen, educatie en onderzoek naar en ontwikkeling van de biotechnologische mogelijkheden. In de toekomst zullen meer toepassingen worden ontwikkeld. Bron T.M. Haverman, K.H. Karagozoglu, H-J. Prins, E.A.J.M. Schulten, T. Forouzanfar Uit de afdeling Mondziekten, Kaak- en Aangezichtschirurgie van het VU Medisch Centrum te Amsterdam Datum van acceptatie: 8 juli 2012 Adres: T. Forouzanfar, VU medisch centrum/acta, postbus 7057,1007 MB, Amsterdam [email protected] Literatuur * Armillotta A, Bonhoeffer P, Dubini G, et al. Use of rapid prototyping models in the planning of percutaneous pulmonary valved stent implantation. Proc Inst Mech Eng H 2007; 221: * Bagaria V, Deshpande S, Rasalkar DD, Kuthe A, Paunipagar BK. Use of rapid prototyping and three-dimensional reconstruction modeling in the management of complex fractures. Eur J Radiol 2011; 80: * Ibrahim D, Broilo TL, Heitz C, et al. Dimensional error of selective laser sintering, three-dimensional printing and PolyJet models in the reproduction of mandibular anatomy. J Craniomaxillofac Surg 2009; 37: * Landers R, Hübner U, Schmelzeisen R, Mülhaupt R. Rapid prototyping of scaffolds derived from thermoreversible hydrogels and tailored for applications in tissue engineering. Biomaterials 2002; 23: * Langer R, Vacanti JP. Tissue engineering. Science 1993; 260: * Mavroidis C, Ranky RG, Sivak ML, et al. Patient specific ankle-foot orthoses using rapid prototyping. J Neuroeng Rehabil 2011; 8:1. * Mueller B, Kochan D. Laminated object manufacturing for rapid tooling and patternmaking in foundry industry. Computers in Industry 1999; 39: * Wu S, Serbin J, Gu M. Two-photon polymerisation for three-dimensional micro-fabrication. J Photochem Photobiol A 2006; 181: Nederlands Tijdschrift voor Tandheelkunde maart 2013