Uchapishaji wa 3D wa Vifaa vya Kinga Binafsi (PPE) Vinavyoweza Kusafishwa kwa Autoclave kwenye Mashine za 3D za Wateja zenye Bei Nafuu

1. Utangulizi

Janga la COVID-19 lilionyesha udhaifu mkubwa katika minyororo ya usambazaji wa matibabu duniani, hasa kwa Vifaa vya Kinga Binafsi (PPE). Uzalishaji wa jadi ulikumbwa na changamoto ya kuongeza uzalishaji haraka, na hivyo vituo vya afya vikageukia mitandao ya usambazaji wa uchapishaji wa 3D. Hata hivyo, kikwazo kikubwa kilionekana: mashine nyingi za 3D za kiwango cha wateja hutumia plastiki zinazoyeyuka kwa joto kama PLA (kiwango cha kulainisha cha Vicat ~62°C) ambazo haziwezi kustahimili usafishaji wa kawaida wa mvuke wa autoclave (121°C). Hii inalazimisha usafishaji wa mikono unaochukua muda mrefu na usio thabiti, na hivyo kusababisha vikwazo na wasiwasi wa usalama. Karatasi hii inashughulikia pengo hili kwa kuonyesha njia ya kuchapisha 3D nyuzinyuzi ya nailoni inayoweza kusafishwa kwa autoclave kwenye mashine za 3D za wateja zenye bei nafuu zilizoboreshwa kidogo, na hivyo kuongeza matumizi na usalama wa uzalishaji wa PPE uliosambazwa.

2. Vifaa na Mbinu

2.1. Uchaguzi wa Vifaa

Ubunifu wa msingi upo katika uchaguzi wa vifaa. Badala ya kulenga polima za utendaji wa juu kama PEEK (zinazohitaji halijoto ya kukandamiza >380°C), waandishi walitambua nyuzinyuzi ya nailoni iliyo na halijoto inayofaa ya mpito ya glasi ($T_g$) na kiwango cha kuyeyuka ($T_m$) ambacho hulinda usawa kati ya uvumilivu wa autoclave na uwezo wa kuchapishwa kwenye vifaa vilivyoboreshwa vya wateja. Vifaa vilivyochaguliwa lazima vistahimile mzunguko wa autoclave uliofafanuliwa na mlinganyo wa Arrhenius kwa uharibifu wa joto, ambapo kiwango cha kudumu $k$ ni: $k = A e^{-E_a / (RT)}$. Hapa, $E_a$ ni nishati ya uanzishaji kwa mtengano, $R$ ni kiwango cha gesi, $T$ ni halijoto kamili (121°C = 394.15 K), na $A$ ni kipengele cha awali cha kielezi.

2.2. Uboreshaji wa Kichapishi

Mashine za kawaida za wateja za Uundaji wa Kukandamizwa Kwa Mchanganyiko (FDM) (k.m., Creality Ender 3, Prusa i3) zilitumika kama msingi. Uboreshaji muhimu ulijumuisha:

• Uboreshaji wa Mwisho Moto: Kubadilisha mwisho moto wa kawaida na aina ya metali yote inayoweza kudumisha halijoto hadi ~300°C ili kuchakata nyuzinyuzi ya nailoni.
• Uboreshaji wa Kitanda Kilichowashwa: Kuhakikisha mshikamano thabiti wa kitanda kwa vifaa vya nailoni vinavyoelekea kupinda, kwa uwezekano kuhusisha nyuso za ujenzi zilizoboreshwa (k.m., karatasi ya PEI).
• Ufungaji: Kuongeza ufungaji rahisi ili kupunguza mabadiliko ya joto na kupinda wakati wa uchapishaji, jambo muhimu kwa polima zenye fuwele nusu kama nailoni.

2.3. Vigezo vya Uchapishaji

Vigezo vilivyoboreshwa vilitengenezwa kupitia majaribio ya kurudia:

• Halijoto ya Nozeli: 260-280°C
• Halijoto ya Kitanda: 80-100°C
• Kasi ya Uchapishaji: 40-60 mm/s
• Urefu wa Tabaka: 0.2 mm
• Msongamano wa Kujaza: 80-100% kwa vipengele vya muundo wa PPE.

3. Matokeo ya Majaribio

3.1. Uchunguzi wa Uvumilivu wa Autoclave

Vipimo vilivyochapishwa (k.m., vichwa vya ngao za uso, viunga vya barakoa) na baa za kawaida za kunyoosha za umbo la mfupa wa mbwa ziliwekwa kwenye mizunguko mingi ya kawaida ya autoclave (121°C, 15-20 psi, dakika 20-30). Uchambuzi wa vipimo kwa kutumia kalipata za dijiti na ukaguzi wa kuona ulithibitisha hakuna kupinda, kuyeyuka, au mabadiliko makubwa ya kijiometri ikilinganishwa na sampuli za udhibiti. Hili ni tokeo muhimu, kwani kupinda ndio njia kuu ya kushindwa kwa nyuzi nyingi za kiwango cha wateja chini ya hali ya autoclave.

3.2. Uchambuzi wa Nguvu ya Kunyoosha

Uchunguzi wa kunyoosha wa mwelekeo mmoja ulifanywa kwenye sampuli za umbo la mfupa wa mbwa kabla na baada ya usafishaji wa autoclave. Mipindo ya mkazo-na-msuguano ilichambuliwa ili kubaini Moduli ya Young ($E$), nguvu ya juu ya kunyoosha ($\sigma_{UTS}$), na urefu wa kuvunjika. Matokeo yalionyesha kuwa usafishaji wa autoclave ulisababisha kupungua kwa chini ya 10% katika $\sigma_{UTS}$ na $E$, ambacho si muhimu kwa takwimu kwa matumizi yanayokusudiwa. Hii inaonyesha kuwa mchakato wa usafishaji hausababishi mtengano mkubwa wa mnyororo wa polima au uharibifu wa maji katika nyuzinyuzi hii maalum ya nailoni chini ya hali hizi.

Maelezo ya Chati: Chati ya baa inayolinganisha Nguvu ya Juu ya Kunyoosha (MPa) na Moduli ya Young (GPa) ya sampuli za nyuzinyuzi ya nailoni zilizochapishwa 3D katika hali yao ya "Kama Ilivyochapishwa" dhidi ya baada ya "Mizunguko 5 ya Autoclave." Baa za sampuli zilizosafishwa kwa autoclave zingeonyesha kupungua kidogo tu (k.m., kutoka 50 MPa hadi 47 MPa), na hivyo kuthibitisha kwa kuona uharibifu mdogo wa sifa.

4. Majadiliano

4.1. Mchango wa Kiufundi

Mchango mkuu wa kazi hii ni wa vitendo: inapita hitaji la mashine za 3D za viwanda za gharama kubwa na maalum (kama zile za PEEK/PEI) au miundo mpya kabisa ya vifaa vya chanzi wazi (kama kichapishi cha Cerberus). Kwa kuzingatia vifaa vilivyo kwenye ukingo wa uwezo wa kichapishi cha wateja na marekebisho madogo ya vifaa, inapunguza kikwazo cha kutengeneza PPE safi na inayoweza kutumiwa tena. Kwa ufanisi, inaunda aina mpya ya vifaa vinavyoweza kuchapishwa vya "kiwango cha juu cha wateja" kwa matumizi muhimu.

4.2. Ulinganisho na Mbinu Zilizopo

Ikilinganishwa na usafishaji wa mikono wa sehemu za PLA, njia hii inatoa otomatiki, uthabiti, na usafi uliothibitishwa. Ikilinganishwa na uchapishaji na PEEK kwenye mashine za viwanda, inapunguza gharama kwa kiwango kimoja hadi viwili. Kikwazo ni utendaji wa kiufundi na wa joto—nyuzinyuzi ya nailoni haina nguvu au kustahimili joto kama PEEK, lakini inatosha kwa matumizi mengi ya PPE (k.m., vipengele visivyobeba mzigo, vifaa vya kushikilia).

5. Uelewa wa Msingi & Mtazamo wa Mchambuzi

Uelewa wa Msingi: Hii sio hadithi kuhusu vifaa vya mafanikio makubwa; ni mfano bora wa kuepuka vikwazo vya uhandisi kwa vitendo. Ubunifu halisi ni kutambua polima inayoweza kuuzwa kibiashara ambayo iko katikati kikamilifu ya "inayoweza kusafishwa kwa autoclave," "inayoweza kuchapishwa kwenye mashine ya $300 na uboreshaji wa $50," na "inatosha." Inatatua tatizo la haraka na la ulimwengu halisi (uratibu wa usafishaji wa PPE) kwa kuibadilisha nafasi ya suluhisho kutoka "jenga kichapishi bora" hadi "tafuta vifaa vya akili zaidi kwa vichapishi vilivyopo."

Mtiririko wa Mantiki: Mantiki ni kamili: 1) Usafishaji wa autoclave ni kiwango cha juu lakini huharibu michapisho ya kawaida ya 3D. 2) Vichapishi vya halijoto ya juu ni nadra na vya gharama kubwa. 3) Kwa hivyo, tafuta vifaa vinavyokidhi kizingiti cha autoclave hali zikiwa ndani ya mipaka ya joto na kiufundi ya vichapishi vya bei nafuu vinavyopatikana kila mahali. 4) Thibitisha kuwa inafanya kazi. Hii ni utafiti unaotumika na mstari wa moja kwa moja kutoka tatizo hadi suluhisho linaloweza kutekelezwa.

Nguvu & Kasoro: Nguvu yake ni uwezo wake wa kutekelezwa mara moja na gharama ndogo—hii inaweza kutekelezwa katika maelfu ya maeneo ya watengenezaji na hospitali duniani wiki ijayo. Kasoro, ambayo waandishi wanakiri, ni ukomo wa asili wa vifaa yenyewe. Nailoni hunyonya unyevu, ambayo inaweza kuathiri ubora wa uchapishaji na sifa za muda mrefu ikiwa haijahifadhiwa vizuri. Zaidi ya hayo, mshikamano wa tabaka na nguvu ya anisotropic ya sehemu za FDM bado ni wasiwasi kwa vifaa muhimu vya matibabu vinavyobeba mzigo, jambo lililorekodiwa vizuri katika ukaguzi wa polima zilizochapishwa 3D kwa afya (k.m., Additive Manufacturing, 2021, Vol. 47). Suluhisho hili ni kamili kwa ngao za uso na viunga lakini si kwa zana za upasuaji au vipandikizi.

Uelewa Unaoweza Kutekelezwa: Kwa wasimamizi wa afya: Hii ni suluhisho la muda na la ziada la mnyororo wa usambazaji. Wekeza katika vichapishi vichache vilivyoboreshwa na uweke kawaida mchakato. Kwa wazalishaji wa nyuzi: Kuna nafasi wazi ya soko kwa vifaa vya uhandisi vya "kiwango cha juu cha wateja." Tengeneza na uuzishe mchanganyiko wa nyuzinyuzi ya nailoni ulioboreshwa kwa matumizi haya hasa. Kwa watafiti: Hatua inayofuata sio vifaa vipya tu, lakini itifaki za uchapishaji na usafishaji zilizothibitishwa zinazokidhi viwango vya udhibiti (k.m., FDA, CE). Kazi hapa ni hatua muhimu ya kwanza, lakini matumizi ya kliniki yanahitaji uchunguzi mkali na uliowekwa kawaida kama mifumo ya uthibitishaji inayoonekana katika utafiti wa uchapishaji wa kibayolojia (k.m., Groll et al., Biofabrication, 2019).

6. Maelezo ya Kiufundi & Mfumo wa Hisabati

Mafanikio yanategemea sifa za joto. Polima lazima iwe na halijoto ya kuyeyuka ($T_m$) ya kutosha kustahimili halijoto ya autoclave lakini ya chini kutosha kwa mwisho moto wa wateja. Kinetiki ya uharibifu wake wa joto, inayoongozwa na mlinganyo wa Arrhenius, lazima ihakikishe mtengano mdogo wakati wa muda-wa-joto wa autoclave. Halijoto ya kupotoshwa kwa joto (HDT) ni kipimo cha vitendo zaidi kuliko $T_g$ kwa matumizi haya. HDT ya vifaa chini ya mzigo lazima izidi 121°C. Kiwango cha fuwele pia kina jukumu, kwani maeneo yenye fuwele zaidi yanaboresha uvumilivu wa joto lakini yanaweza kufanya uchapishaji kuwa mgumu zaidi.

Mfano rahisi wa halijoto ya juu ya huduma $T_{service}$ kulingana na dhana ya Mabadiliko ya Muda-Halijoto (TTT) unaweza kuzingatiwa: $T_{service} \approx T_g + (T_m - T_g) \cdot \alpha$, ambapo $\alpha$ ni kipengele (0<$\alpha$<1) kinachowakilisha kiasi kinachohitajika cha usalama chini ya kiwango cha kuyeyuka. Kwa matumizi ya autoclave, $T_{service}$ lazima iwe >121°C.

7. Mfumo wa Uchambuzi & Mfano wa Kesi

Mfumo: Tathmini ya Kiwango cha Uandali wa Teknolojia (TRL) kwa Uzalishaji wa Matibabu Uliosambazwa.

Utafiti huu hutoa mfano kamili wa kutumia mfumo wa TRL kwa suluhisho la uzalishaji la msingi.

• TRL 1-3 (Utafiti wa Msingi): Kuelewa kuwa PLA inashindwa katika autoclave. Kutambua vifaa vinavyoweza kuchaguliwa (nyuzinyuzi za nailoni).
• TRL 4-5 (Uthibitishaji wa Maabara): Hatua ya karatasi hii. Uthibitishaji-wa-dhana wa uchapishaji kwenye vifaa vilivyoboreshwa vya wateja. Uchunguzi wa maabara wa uvumilivu wa autoclave na sifa za kiufundi.
• TRL 6-7 (Prototaipu katika Mazingira Yanayohusika): Hatua zinazofuata: Kuchapisha PPE kamili na inayofanya kazi (k.m., ngao nzima ya uso, virekebishaji vya barakoa). Kujaribu katika mazingira ya kliniki yaliyosanifiwa au halisi kwa kutosha, starehe, na ujumuishaji wa mchakato wa usafishaji.
• TRL 8-9 (Mfumo Umekamilika & Umekubaliwa): Hatua za mwisho: Kuanzisha itifaki za udhibiti wa ubora kwa vituo vya uchapishaji vilivyosambazwa. Kupata idhini za udhibiti zinazohitajika kwa vifaa maalum na miundo ya vitu vilivyochapishwa.

Mfano wa Kesi: Hospitali ya jamii katika eneo la mbali inakabiliwa na upungufu wa ngao za uso wakati wa mlipuko. Badala ya kungojea usafirishaji, wanaanzisha mtandao wa ndani wa watengenezaji wenye vichapishi vilivyoboreshwa vya Ender 3. Kwa kutumia nyuzi maalum ya nyuzinyuzi ya nailoni na faili za uchapishaji zilizoshirikiwa, wanatengeneza vichwa 200 vya ngao za uso kwa wiki. Hivi vinakusanywa, kusafishwa kwa autoclave katika idara ya kati ya usafishaji ya hospitali pamoja na zana za metali, na kutumiwa. Kesi hii inaonyesha mpito kutoka TRL 5 hadi TRL 7.

8. Matumizi ya Baadaye & Mwelekeo

Matokeo yanaenea zaidi ya PPE ya janga.

• Viongozi & Violezo vya Upasuaji Vilivyobinafsishwa: Viongozi maalum vya mgonjwa kwa upasuaji vinaweza kuchapishwa ndani na kusafishwa kupitia autoclave, na hivyo kupunguza gharama na muda wa kusubiri ikilinganishwa na utoaji wa nje kwa uzalishaji wa jadi.
• Vifaa vya Maabara vya Bei Nafuu: Vifaa vilivyobinafsishwa vinavyoweza kusafishwa kwa autoclave kama vishikiliaji vya pipeti, rafu za mabomba, na vifaa vya kushikilia kwa maabara ya utafiti na uchunguzi, hasa katika mazingira ya uwanjani au taasisi za elimu.
• Dawa ya Wanyama: Mahitaji sawa ya vifaa vinavyoweza kusafishwa katika kliniki za dawa ya wanyama, ambazo mara nyingi zina autoclave lakini zina bajeti ndogo.
• Uundaji wa Vifaa: Kazi ya baadaye inapaswa kuzingatia kuunda nyuzi za mchanganyiko (k.m., nailoni na nyuzi za kaboni au glasi) ili kuboresha nguvu na uthabiti wa vipimo zaidi, na hivyo kusukuma uwezo wa vichapishi vilivyoboreshwa vya wateja. Utafiti katika polima zinazoweza kuchapishwa kwa urahisi na zinazoweza kusafishwa kwa autoclave kama poliesteri fulani au polipropileni pia ina matumaini.
• Uwekaji wa Kawaida & Udhibiti: Kikomo kinachofuata muhimu sio kiufundi bali cha udhibiti. Kuanzisha viwango vya ASTM/ISO kwa uchunguzi wa kiufundi na uthibitishaji wa usafishaji wa sehemu zilizochapishwa FDM kutoka kwa vifaa maalum ni muhimu kwa matumizi mengi ya matibabu, kufuata mfano uliowekwa kwa vifaa vya polima vilivyotengenezwa kwa jadi.

9. Marejeo

1. I. Gibson, D. Rosen, B. Stucker. Additive Manufacturing Technologies: 3D Printing, Rapid Prototyping, and Direct Digital Manufacturing. 2nd ed., Springer, 2015. (Kwa kanuni za msingi za FDM).
2. J. G. Groll, et al. "A definition of bioinks and their distinction from biomaterial inks." Biofabrication, vol. 11, no. 1, 2019. (Kwa mfumo wa uthibitishaji katika AM ya kibayolojia).
3. T. D. Ngo, et al. "Additive manufacturing (3D printing): A review of materials, methods, applications and challenges." Composites Part B: Engineering, vol. 143, pp. 172-196, 2018. (Kwa ukaguzi wa sifa za vifaa na mipaka).
4. ASTM International. "F2971-21: Standard Practice for Reporting Data for Test Specimens Prepared by Additive Manufacturing." (Kwa muktadha wa uwekaji wa kawaida).
5. U.S. Food and Drug Administration (FDA). "Technical Considerations for Additive Manufactured Medical Devices – Guidance for Industry and Food and Drug Administration Staff." December 2017. (Kwa mazingira ya udhibiti).
6. Open-Source Cerberus 3D Printer Project, Michigan Technological University. https://www.appropedia.org/Cerberus_3D_Printer (Kwa ulinganisho na njia ya kichapishi cha halijoto ya juu).