چاپ سه‌بعدی تجهیزات حفاظت فردی اتوکلاوشونده با پرینترهای سه‌بعدی مصرفی کم‌هزینه

1. مقدمه

همه‌گیری کووید-۱۹ شکاف‌های حیاتی در زنجیره‌های تأمین تجهیزات حفاظت فردی پزشکی را آشکار کرد و محدودیت‌های تولید سنتی در شرایط اضطراری سلامت جهانی را نشان داد. مراکز پزشکی در سراسر جهان به چاپ سه‌بعدی به عنوان راه‌حل موقت روی آوردند، اما با محدودیت‌های قابل توجهی در مواد موجود مواجه شدند. ترموپلاستیک‌های استاندارد چاپ سه‌بعدی مانند PLA، PETG و ABS نمی‌توانند در برابر دمای استریلیزاسیون اتوکلاو ۱۲۱ درجه سانتی‌گراد مقاومت کنند که این امر کادر درمان را مجبور به استفاده از روش‌های وقت‌گیر ضدعفونی دستی کرد که برای هندسه‌های پیچیده چاپ سه‌بعدی قابل اطمینان نیستند.

این تحقیق با توسعه روشی برای چاپ سه‌بعدی نایلون کوپلیمر مقاوم در برابر دما بر روی پرینترهای سه‌بعدی مصرفی کم‌هزینه معمولی با حداقل تغییرات، به این محدودیت حیاتی می‌پردازد. این رویکرد تولید توزیع‌شده تجهیزات حفاظت فردی اتوکلاوشونده را امکان‌پذیر می‌کند که می‌توان با استفاده از تجهیزات اتوکلاو استاندارد بیمارستانی استریل شوند و در نتیجه ضمن اطمینان از استریلیزاسیون مناسب، زمان ارزشمندی برای متخصصان پزشکی ذخیره شود.

2. مواد و روش‌ها

3. نتایج آزمایشگاهی

4. تحلیل فنی

تحلیل اصلی: دیدگاه انتقادی در مورد تولید پزشکی توزیع‌شده

این تحقیق گامی مهم به جلو در دموکراتیک‌سازی تولید دستگاه‌های پزشکی است، اما بررسی فرصت‌ها و محدودیت‌ها از طریق لنز انتقادی بسیار مهم است. توانایی تولید تجهیزات حفاظت فردی اتوکلاوشونده بر روی پرینترهای سه‌بعدی درجه مصرف‌کننده به شکاف اساسی آشکار شده در طول همه‌گیری کووید-۱۹ می‌پردازد، جایی که زنجیره‌های تأمین سنتی تحت فشار ناگهانی تقاضا فروپاشیدند. با این حال، باید این دستاورد را در چشمانداز گسترده‌تر استانداردهای تولید دستگاه پزشکی قرار دهیم.

در مقایسه با سیستم‌های چاپ سه‌بعدی با دمای بالا مانند سیستم‌های قادر به چاپ PEEK یا PEI - موادی که به طور معمول در دستگاه‌های پزشکی تأیید شده توسط FDA استفاده می‌شوند - این رویکرد نشان‌دهنده یک مصالحه است. در حالی که پرینتر سه‌بعدی Cerberus از Michigan Tech قابلیت‌های دمایی برتری برای چاپ ترموپلاستیک‌های مهندسی ارائه می‌دهد، به تخصص تخصصی و هزینه‌های بالاتری نیاز دارد. نوآوری در اینجا در پیشرفت علمی مواد نهفته است که سازگاری با اتوکلاو را برای پلتفرم‌های سخت‌افزاری در دسترس به ارمغان می‌آورد. این با روندهای تولید توزیع‌شده مشاهده شده در سایر زمینه‌ها همسو است، مشابه نحوه‌ای که CycleGAN نشان داد که وظایف ترجمه تصویر پیچیده را می‌توان بدون داده‌های آموزشی جفت شده انجام داد و امکان‌پذیری‌های جدیدی با زیرساخت موجود باز کرد.

داده‌های تست مکانیکی که ۹۲-۹۶٪ نگهداری استحکام کششی پس از اتوکلاو را نشان می‌دهد چشمگیر است، اما سؤالاتی در مورد عملکرد بلندمدت ایجاد می‌کند. دستگاه‌های پزشکی معمولاً به اعتبارسنجی در ده‌ها یا صدها چرخه استریلیزاسیون نیاز دارند و آزمایش چرخه محدود مطالعه (۱۰+ چرخه) سؤالاتی در مورد تخریب مواد در طول زمان باقی می‌گذارد. رفتار پیری حرارتی توصیف شده توسط معادله آرنیوس $k = A e^{-E_a/RT}$ نشان می‌دهد که مطالعات پیری تسریع‌شده برای پیش‌بینی عملکرد بلندمدت در محیط‌های بالینی مورد نیاز است.

از منظر نظارتی، این فناوری در یک منطقه خاکستری قرار دارد. در حالی که استاندارد ASTM F2913-19 راهنمایی برای دستگاه‌های پزشکی چاپ سه‌بعدی ارائه می‌دهد، ماهیت توزیع‌شده این رویکرد تولید چالش‌هایی برای کنترل کیفیت و ردیابی ایجاد می‌کند. این تحقیق از مقایسه با پروتکل‌های اعتبارسنجی استریلیزاسیون تأسیس شده، مانند موارد ذکر شده در ISO 17665-1 برای استریلیزاسیون بخار، برای نشان دادن آمادگی بالینی بهره خواهد برد.

با این حال، تأثیر بالقوه قابل توجه است. با فعال‌سازی سازگاری اتوکلاو بر روی سخت‌افزار مصرفی، این رویکرد می‌تواند قابلیت‌های پاسخگویی اضطراری در محیط‌های دورافتاده یا با منابع محدود را متحول کند. این فناوری نشان‌دهنده پلی کاربردی بین تولید پزشکی ایده‌آل و واقعیت‌های پاسخ به بحران است، مشابه نحوه‌ای که نمونه‌سازی سریع توسعه محصول را در سایر صنایع متحول کرده است. کلید موفقیت، متعادل‌سازی نوآوری با اعتبارسنجی دقیق مورد نیاز برای کاربردهای پزشکی خواهد بود.

5. پیاده‌سازی کد

در حالی که تحقیق بر مواد و فرآیندها به جای نرم‌افزار متمرکز است، پارامترهای چاپ را می‌توان از طریق تغییرات استاندارد G-code پیاده‌سازی کرد. در زیر یک نمونه پیکربندی برای پرینترهای مبتنی بر Marlin آورده شده است:

; پروفایل چاپ تجهیزات حفاظت فردی نایلون کوپلیمر
; ماده: نایلون کوپلیمر با دمای بالا
; پرینتر: Ender 3 تغییر یافته با هات‌اند تمام فلزی

M104 S260 ; تنظیم دمای نازل به ۲۶۰°C
M140 S85  ; تنظیم دمای بستر به ۸۵°C

; منتظر تثبیت دما بمانید
M109 S260 ; منتظر دمای نازل بمانید
M190 S85  ; منتظر دمای بستر بمانید

; پارامترهای چاپ
M220 S100 ; بازنشانی نرخ تغذیه به ۱۰۰٪
M221 S95  ; تنظیم نرخ جریان به ۹۵٪

; تنظیمات جمع‌شدگی برای نایلون
M207 S2.0 R0.0 F2400 Z0.2 ; جمع‌شدگی ۲ میلی‌متر در ۴۰ میلی‌متر بر ثانیه

; تنظیمات خنک‌کنندگی (حداقلی برای نایلون)
M106 S64  ; تنظیم سرعت فن به ۲۵٪

; ارتفاع لایه و سرعت‌ها
M201 X500 Y500 Z100 E5000 ; محدودیت‌های شتاب
M203 X200 Y200 Z15 E120   ; حداکثر سرعت‌ها
M205 X10 Y10 Z0.4 E5      ; تنظیمات حرکت ناگهانی

این پیکربندی پارامترهای چاپ را برای نایلون کوپلیمر بهینه می‌کند و در عین حال ویژگی‌های حرارتی و جریان خاص آن را در نظر می‌گیرد.

6. کاربردهای آینده

فناوری نشان داده شده در این تحقیق پیامدهای گسترده‌ای فراتر از تولید اضطراری تجهیزات حفاظت فردی دارد:

• تولید پزشکی توزیع‌شده: تولید محلی راهنماهای جراحی سفارشی، اسپلینت‌های دندانی و سایر دستگاه‌های پزشکی یکبار مصرف در بیمارستان‌ها و کلینیک‌ها را امکان‌پذیر می‌کند
• پزشکی دامپزشکی: تولید مقرون‌به‌صرفه تجهیزات محافظتی و راهنماهای جراحی مناسب برای بیماران حیوانی
• راه‌حل‌های قابل استقرار در میدان: کاربردهای نظامی و پاسخ به بلایا که در آن زنجیره‌های تأمین سنتی به خطر افتاده‌اند
• کاربردهای دندانپزشکی: سینی‌های سفارشی، محافظ گاز گرفتن و راهنماهای جراحی که نیاز به استریلیزاسیون دارند
• آزمایشگاه‌های تحقیقاتی: تجهیزات و اتصالات آزمایشگاهی سفارشی که نیاز به استریلیزاسیون منظم دارند

جهت‌های تحقیقاتی آینده باید بر موارد زیر متمرکز شوند:

• توسعه کامپوزیت‌های نایلونی با خواص مکانیکی بهبودیافته
• بهینه‌سازی پارامترهای چاپ برای طرح‌های مختلف تجهیزات حفاظت فردی
• انجام مطالعات پیری بلندمدت برای اعتبارسنجی عملکرد مواد
• کاوش مسیرهای نظارتی برای تولید دستگاه پزشکی توزیع‌شده
• ادغام سیستم‌های کنترل کیفیت برای شبکه‌های تولید توزیع‌شده

7. مراجع

1. Ishack, S., & Lipner, S. R. (2021). Applications of 3D printing in the COVID-19 pandemic. Journal of 3D Printing in Medicine, 5(1), 15-27.
2. Woern, A. L., et al. (2018). The Cerberus: An open-source 3D printer for high-temperature thermoplastics. HardwareX, 4, e00063.
3. Tino, R., et al. (2020). COVID-19 and the role of 3D printing in medicine. 3D Printing in Medicine, 6(1), 1-8.
4. Tarfaoui, M., et al. (2020). 3D printing to support the shortage in personal protective equipment caused by COVID-19 pandemic. Materials, 13(15), 3339.
5. Azizi Machekposhti, S., et al. (2020). Sterilization of 3D printed polymers. Journal of 3D Printing in Medicine, 4(2), 85-95.
6. ISO 17665-1:2006. Sterilization of health care products — Moist heat — Part 1: Requirements for the development, validation and routine control of a sterilization process for medical devices.
7. ASTM F2913-19. Standard Guide for 3D Printing Materials for Medical Applications.
8. Zhu, J. Y., et al. (2017). Unpaired image-to-image translation using cycle-consistent adversarial networks. Proceedings of the IEEE international conference on computer vision, 2223-2232.
9. Gibson, I., Rosen, D., & Stucker, B. (2015). Additive manufacturing technologies: 3D printing, rapid prototyping, and direct digital manufacturing. Springer.
10. González-Henríquez, C. M., et al. (2019). Polymers for additive manufacturing and 4D-printing: Materials, methodologies, and biomedical applications. Progress in Polymer Science, 94, 57-116.