Application of 3D printer in production of individual implants for human bone defects  Page description

Help  Print 
Back »

 

Details of project

 
Identifier
113180
Type K
Principal investigator Csernátony, Zoltán
Title in Hungarian Egyedi csontpótló implantátumok készítése 3d nyomtatás alkalmazásával
Title in English Application of 3D printer in production of individual implants for human bone defects
Keywords in Hungarian 3d nyomtatás, rapid prototyping, cranioplastica, egyedi implantátum
Keywords in English 3d printing, rapid prototyping, cranioplasty, custom implants
Discipline
Haematology, immunology, thrombosis, infectious diseases (Council of Medical and Biological Sciences)100 %
Ortelius classification: Surgery
Panel Clinical Medicine
Department or equivalent Department of Orthopedic Surgery (University of Debrecen)
Participants Barzó, Pál
Csámer, Loránd
Elek, Péter
Hunya, Zsolt
Kiss, Ferenc
Kiss, László
Kovács, Ágnes Éva
Manó, Sándor
Starting date 2015-01-01
Closing date 2018-12-31
Funding (in million HUF) 27.938
FTE (full time equivalent) 6.34
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.

A pályázati projekt során fő célunk a korszerű 3d nyomtatás egyedi implantátumok készítésére történő alkalmazási technológiájának teljes körű kifejlesztése, illetve az eddig alkalmazott eljárásaink továbbfejlesztése. Célunk továbbá az így előállított implantátumok beépülésének, mechanikai tulajdonságainak részletes vizsgálata.
A technológia lényege, hogy CT vizsgálatok során szerzett DICOM fájlok mérnöki szerkesztő programba átvitelét követően tetszőlegesen megszerkeszthetőek a pótlandó részek, és egy általunk kifejlesztett öntészeti technológiával sterilizálható szilikon sablont készítünk, amibe a műtét során egy 10 perc alatt polimerizálódó polimetilmetakrilátot (elterjedt összefoglaló nevén csontcement) juttatunk, és azt követően azonnal beültethető az öntvény. Az eljárásnak a hagyományos módszerekkel szembeni előnyei a következők:
- a beültetett csontpótlás sokkal nagyobb alakpontossága
- feltűnően jobb kozmetikai eredmény;
- az implantátumtetszőleges bonyolultságú lehet;
- a csontcement polimerizációjával járó káros hőhatás teljes kiküszöbölése;
- intraoperatív problémák esetén az implantátum újra kiönthető.
Az eljárás leginkább cranioplastica esetén, illetve ortopédiai spacerek előállítására alkalmazható.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.

A kutatás során az alapkutatási vizsgálatainkkal arra keressük a választ, hogy az általunk alkalmazni kívánt módszer fejlesztése, illetve tökéletesítése milyen irányokba történjen. Biomechanikai vizsgálatokkal szeretnénk tisztázni a csontcement geometriai kialakításának kérdését, valamint mechanikai vizsgálatokkal szeretnénk feltárni, hogy milyen csontcement, illetve szilikonnal érhető el a legjobb eredmény. További vizsgálatokkal azt tisztáznánk, hogy adott környezetben milyen stabilitást, teherbírást lehet elérni az új technológiával készült implantátumokkal, mind az ép csonthoz, mind a kézzel formázott implantátumokhoz képest.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!

Célunk egy olyan, akár szabadalmaztatható, alapkutatási eredményekkel alátámasztott technológia kidolgozása, amely a cranioplastica és egyéb csontpótló műtétek során alakpontos pótlást tesz lehetővé igen költséghatékony módon. A módszer kiváltaná a hagyományos, kézi formázáson alapuló megoldásokat, ugyanakkor a rendkívül drága, fém implantátumokkal szemben egy megfizethető megoldást kínálna.
A technológia alkalmazásával a műtét időtartama jelentősen csökkenne, a pótlás alakpontossága, a kozmetikai eredmény pedig összehasonlíthatatlanul javulna.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média illetve az adófizetők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI számára.

A projekt során egy olyan technológiát szeretnénk kifejleszteni, illetve továbbfejleszteni, amely a korszerű 3d nyomtatás módszerének alkalmazásával lehetővé teszi csonthiányok egyedi, személyre szabott implantátumokkal történő pótlását. A módszer kidolgozását biomechanikai vizsgálatok adatai segítenék.
A kidolgozandó technológia lényege, hogy a CT felvételek alapján rekonstruált sérült, illetve hiányos csontok pótlását számítógépes szoftverrel megszerkesztett, öntészeti módszerek segítségével a műtőben előállított egyedi implantátummal lehet elvégezni. Az eljárás a hagyományos módszerekkel szemben sokkal nagyobb alakpontosságot, feltűnően jobb kozmetikai eredményt biztosít, miközben a csontcement polimerizációjával járó káros hőhatás teljes mértékben kiküszöböli.
A módszert néhány esetben – kezdetleges eszközökkel – már sikerrel alkalmaztuk, azonban a visszajelzések és a tapasztalataink alapján az eljárás pontosításra, kiegészítésre szorul, amelyet a jelen kutatási projekt során valósítanánk meg.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.

The main goal of our project is the complex development of application of 3d printing in the field of production individual implants and improvement of our applied techniques. Our aim is the detailed investigation of integration and mechanical properties of these products.
The essence of technology is that we can edit replacements based on DICOM files of CT scans as we transfer them into an engineering program and we prepare a thermostable template with a mold preparation technique we developed. During the operation the sterile template will be filled with polimethil-metacrilate (known as bone cement) and after its 10-minute-long hardening time the produced mold can be implanted.
The advantages of techique compared with traditional methods are:
- the implanted bone replacement is much more accurate
- far better cosmetic result
- possible production of implants even of a complex shape
- total elimination of the harmful heat production during polymerization
- in case of intraoperative problem the mold can be reproduced.
This method could be used mainly in cases of cranioplasty, but also in production of orthopaedic spacers.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.

In our basic research we look for the directions of development and improvement of our method to be used.
We would like to ascertain the process of geometrical shaping of bone cement with animal experiments and biomechanical investigations, and find the bone cement and sylicone which give the best result with mechanical examinations.
In our further investigations we would like to measure in specified enviroment the level of stability and strength of the implants produced with this new technique, compared with intact bone or handmade replacements.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.

Our purpose to develope a patentable method based on result of basic research, which allows precise and cost effective molding during cranioplasty and other bone replacement procedures.
This method can eliminate the traditional handmade techniques and can be an inexpensive alternative choice for high-cost metal implants.
The application of this technology can effectively reduce the surgical time, furthermore the accuracy of replacement and cosmetic result improve significantly as well.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NKFI in order to inform decision-makers, media, and the taxpayers.

During the project we would like to develope and improve a technology which allows the replacement individual bone defects with the application of modern 3D printing. The development would be supported by results of animal experiments and mechanical investigations.
The essence of technology is that we can replace bone defects with individual implants molded in the operating theatre with the application of templates based on CT scans, edited by computer sofware. The implanted bone replacement is more accurate, the cosmetic result is better and the harmful effect of heat production accompanied the polymerization can be eliminated compared with traditional methods.
We have already applied this method (with undeveloped equipment) successfully several times, but it needs to be improved based on feedbacks and our experiences – this could be achieved in the presently planed project.





 

Final report

 
Results in Hungarian
A pályázati projekt eredményeképpen megvalósítottuk fő célunkat, miszerint a korszerű 3D nyomtatás egyedi csontpótló implantátumok készítésére történő alkalmazási technológiáját, a szilikon öntőformával történő implantátum-előállítási eljárást a 2015-ös állapothoz képest jelentősen továbbfejlesztettük. A technológia lényege, hogy CT felvételek alapján megszerkesztett és 3D nyomtatóval előállított minta alapján egy általunk kifejlesztett öntészeti technológiával sterilizálható szilikon sablont készítünk, amibe a műtét során egy 10 perc alatt polimerizálódó csontcementet juttatunk, és azt követően azonnal beültethető a csontdefektusba illeszkedő öntvény. Az eljárás alkalmazásával a biztosítható a beültetett csontpótlás sokkal nagyobb alakpontossága és a feltűnően jobb kozmetikai eredmény, ráadásul az implantátum tetszőleges bonyolultságú lehet és a csontcement polimerizációjával járó káros hőhatás is teljesen kiküszöbölhető. A technológiai továbbfejlesztés során biztosítottuk a tökéletesen buborékmentes, átlátszó szilikon öntőforma előállítását, egy-egy vizsgálatsorozattal bizonyítottuk az általunk alkalmazott szilikon és csontcement mechanikai alkalmasságát, saját fejlesztésű öntőkeretet fejlesztettünk a feladat végrehajtására. Ezen kívül kidolgoztunk egy olyan alternatív eljárást is, amely során az öntőforma előállítása közvetlenül 3D nyomtatóval történik.
Results in English
We realised our primary goal of the project, so the application and the process of the 3D printing-based fabrication of custom-made bone substitution implant has been significantly improved comparing to the state in 2015. The essence of technology is that based on a 3D printed substitution model using CT scans, we fabricate a thermostable mould with a special technique we developed. During the operation the sterile mould will be filled with polimethil-metacrilate (known as bone cement) and after its 10-minute-long hardening time the produced implant can be immediately implanted. The procedure assures that the implanted bone replacement is much more accurate, far better cosmetic result, additionally, any shape complexity of the implant can be handled and the harmful heat production during polymerization can be fully eliminated. During the improvement of the technology, we solved the fully transparent, bubble-free mould fabrication, and performing several biomechanical test series we proved that the silicone and bone cement we use are mechanically appropriate, we developed a custom-made moulding frame for the moulding process. Furthermore, we developed an alternative procedure that is based on a direct 3D printed, hinged mould.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=113180
Decision
No





 

List of publications

 
Manó S, Csernátony Z.: 3D printing based bone implant design and preparation, 1st Interdisciplinary 3D Conference, Pécs 2015. sept 25-26., 2015
Csernátony Z, Manó S.: How 3D Printing Can Support Musculoskeletal Surgery, 2nd Interdisciplinary 3D Conference, Pécs 2016. oct 6-8., 2016
Manó S, Csernátony Z.: 3D Printing Based Bone Substitution, 2nd Interdisciplinary 3D Conference, Pécs 2016. oct 6-8., 2016
Manó S, Csernátony Z.: 3D printing and PMMA based bone substitution from mechanical point of view, 3rd Interdisciplinary 3D Conference, Pécs 2017. oct 5-6., 2017
Kovács Kornélia: 3D nyomtatás és csontcement alapú craniopalstica értékelése mechanikai szempontból, TDK Konferencia 2018, Debreceni Egyetem ÁOK, 2018. február 21-23., 2018
Manó S, Csernátony Z: Korszerű 3D technikák alkalmazása a mozgásszervi sebészetben, Mozgásszervi Továbbképző Szemle, 1(3):127-129, 2018
Kovács KL, Manó S: 3D nyomtatás és csontcement alapú cranioplastica értékelése mechanikai szempontból, Amerikai Magyar Orvosszövetség Magyarországi Tagozatának XII. Kongresszusa, Balatonfüred, 2018. augusztus 25., 2018
Csernátony Z, Kovács KL, Manó S.: 3D nyomtatás alkalmazásával készülő csontcement implantátum biomechanikai vizsgálata, Biomechanica Hungarica. 12(1), (közlésre elfogadva), 2019





 

Events of the project

 
2018-07-02 14:24:51
Résztvevők változása




Back »