ÖZET

Amaç:

Üç boyutlu (3D) baskı son yıllarda tüm bilim dalları arasında popülerlik kazanmıştır. 3D yazıcılarda kullanılabilen Nylon 680 Co-polymer adlı yeni bir malzeme ile kaburga üreterek, domuzlarda göğüs duvarı rekonstrüksiyonu için kullanmayı amaçladık. Bu yeni malzeme ile gerçekleştirilen deneysel çalışmanın ön sonuçlarını sunmaktayız.

Gereç ve Yöntem:

Göğüs duvarında rezeke etmeyi planladığımız iki domuza çok kesitli bilgisayarlı toraks tomografisi çektirerek rezeke edeceğimiz alanı ölçtük. ABD Gıda ve İlaç Dairesi onaylı Nylon 680 Co-Polymer (Taulman 3D, Saint Peters, MO, ABD) ile 3D yazıcı kullanarak kaburgalar ürettik (Afinia H480, Chanhassen, MO, ABD). Denekleri opere ederek göğüs duvarı rezeksiyonu sonrası yeni üretilmiş kaburgalar ile göğüs duvarı rekonstrüksiyonu gerçekleştirdik.

Bulgular:

Deneklerden bir tanesi anesteziden uyanırken miyokard enfarktüsü nedeniyle kaybedildi. Diğer domuz 45 gün boyunca, deney hayvanları için barınak olan merkezde 45 gün boyunca takip edildi. Sonrasında sakrifiye edildi ve opere edilmiş olan alan histopatolojik inceleme için rezeke edildi. Histopatolojik değerlendirme, pigmente yabancı cisimler içeren dev hücreler ve orta derecede kronik enflamasyon olarak yorumlandı.

Sonuç:

Bu çalışma 3D yazıcı teknolojisinin göğüs cerrahisi alanında kullanımı açısından önemlidir. Ayrıca yeni bir malzeme olan Nylon 680 Co-polymer’in tanımlanması yeni bir çalışma alanı oluşturmaktadır. Bu yeni malzeme ile hastalara özel tasarlanmış implantlar veya meşler kısa süre içinde üretilebildiği gibi çok daha ucuza mal edilebileceği ön görülmektedir.

GİRİŞ

Üç boyutlu (3D) baskı son yıllarda bilimin tüm alanlarında popülerlik kazanmıştır^1-4. Son dönemde tıbbi cihazlar ve vücuda yönelik implantlar açısından 3D yazıcının tıp alanında kullanımına ilişkin yeni araştırma çalışmaları yayınlanmıştır. 3D yazıcının farmasötik alanda da ilgi görmesi, ABD Gıda ve İlaç Dairesi’nin (FDA) Ağustos 2015’te 3D baskılı ilaç ürününü onaylamasıyla da desteklenmiştir. Owais ve ark.⁵ ekokardiyografik verileri kullanarak 3D yazıcı ile mitral halka üreterek kalp ameliyatlarındaki potansiyel kullanımını deneyimlemişlerdir. Thawani ve ark.⁶ arteriovenöz malformasyonun 3D yazıcı ile oluşturulmuş modelini sunarak, arteriyel ve venöz fazları ayrı ayrı göstermişlerdir. Ayrıca ortopedi alanında da bu teknolojinin cerrahi açıdan kullanımı giderek yaygınlaşmaktadır. Zhang ve ark.⁷ 3D yazdırılabilir, biyoseramik bir artiküler ara parçası düzeneği oluşturmuşlar ve bunu artroplasti ameliyatlarında kullanmışlardır. Ayrıca Mulford ve ark.⁸ ortopedik cerrahide kullanılan mevcut ve gelecekteki uygulamaları tanımlamak için bir derleme makalesi yayınlamışlardır.

Onkolojik rezeksiyon sonrası göğüs duvarı defektlerinin cerrahi tedavisi, göğüs cerrahisinde sık karşılaşılan bir durumdur. Bu tablonun yönetimi yaratıcılık ve esneklik gerektirir. Göğüs duvarının rekonstrüksiyonu için kullanılan malzeme mesh, metil metakrilattan titanyum plakalar veya çubuklar gibi protez sistemlerine kadar değişebilir^9-11.

Yeni ve daha düşük maliyetli bir malzeme olan Nylon 680 Co-polymer kullanarak bu teknolojiyi göğüs cerrahisine uyarlamaya çalıştık.

GEREÇ VE YÖNTEM

Bu araştırma, Acıbadem Üniversitesi Hayvan Deneyleri Yerel Etik Kurulu (ACU-HADYEK), İstanbul, Türkiye tarafından incelendi ve onaylandı (karar no: 2015/17, tarih: 02.03.2015). Ayrıca çalışma Türkiye Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Kurumu (TÜBİTAK-115S797) tarafından desteklenmektedir.

Tüm hayvanlara Ulusal Tıbbi Araştırma Derneği ve Ulusal Bilimler Akademisi tarafından hazırlanan ve Ulusal Sağlık Enstitüleri tarafından yayınlanan, (NIH yayını no. 80-23), 1985’te revize edilen Laboratuvar Hayvanlarının Bakımı ve Kullanımı Kılavuzu’nda formüle edilen bakım uygulanmıştır.

İki erkek evcil domuzun ortalama vücut ağırlığı 32,5 kg ve ortalama vücut yüzeyi 1,02 m² idi. Toraksın multidedektör bilgisayarlı tomografi (MDCT) taramaları yapıldı ve daha iyi değerlendirme için 3D rekonstrüksiyon görüntüleri geliştirildi (Şekil 1). Orta aksiller hatta 5 cm’lik kesi ve 5. kotta 5 cm’lik kısmi rezeksiyon yapılması planlandı (Şekil 2). Rezeksiyonun ölçümleri MDCT kullanılarak yapıldı ve tüm veriler AutoCAD yazılım sistemine (Autodesk, Inc. California, ABD) aktarıldı. Tüm mesh modelleri AutoCAD ile üretildi.

Rezeke edilen parçanın yerine koymak amacıyla, özel yapım kaburga yazdırmak için veriler kullanıldı. Nylon 680 Co-polymer/FDA onaylı malzemeden (Taulman 3D, Saint Peters, MO, ABD) 3D yazıcı (Afinia H480, Chanhassen, MO, ABD) kullanarak farklı boyutlarda kaburgalar üretildi. 3D yazıcı ile yapılan implantlar etilen oksitle sterilize edildi.

Domuzlar, Acıbadem Üniversitesi İleri Simülasyon ve Eğitim Merkezi Laboratuvarları, İstanbul, Türkiye’de opere edildiler. Genel anestezi intravenöz ketamin (vücut ağırlığı başına 1 mg/kg) ve propofol (vücut ağırlığı başına 4,0 mg/kg) ile indüklendi ve volatil anestezikler (izofluran %1,5-2,5) ile sürdürüldü. Hayvanlara hemodinamik, termal izleme ve beş uçlu elektrokardiyogram için bir femoral arteriyel kateter ve rektal sonda takıldı.

Hayvanların her birinde orta aksiller hatta 5 cm’lik bir kesi ve kısmi 5 cm’lik kaburga rezeksiyonu gerçekleştirildi. 3D yazıcı ile üretilen özel yapım Nylon 680 Co-polymer kaburga, rezeke edilen alana implante edildi ve her iki kenarda 2-0 polipropilen sütürlerle stabilize edildi. Kaburganın stabilizasyonu kontrol edilerek anatomik yapılar doğru anatomik şekilde kapatıldı.

Hayvanlar anesteziden uyandırıldı ve mekanik ventilatörden ayrıldı. Hayvanlardan birisi kalp krizi nedeniyle uyanma döneminde hayatını kaybetti. İkinci hayvan sorunsuz bir şekilde iyileşti.

BULGULAR

Hayvan 45 gün boyunca bakım gördü. Araştırma ekibinin üyelerinden biri tarafından her gün takip edildi. Hayvanın genel durumu, ağırlığı ve iştahı günlük olarak düzenli olarak kaydedildi. Domuz ameliyat sonrası 45. günde sakrifiye edildi ve ameliyat edilen göğüs duvarı total olarak rezeke edildi. Örnek histopatolojik inceleme için Marmara Üniversitesi Patoloji Anabilim Dalı’na teslim edildi.

İmplante edilen alanın doku örnekleri %10 formalinde sabitlendi ve parafine gömülmek üzere işlendi. Mikroskop slaytları için 4-5 μm kalınlığında kesitler hazırlandı. Slaytlar hematoksilen ve eozin ile boyandı. Histopatolojik değerlendirmede dağınık dev hücrelerle birlikte orta derecede kronik enflamasyon olduğu görüldü. Polarize ışıkta yabancı cisim içeren birkaç dev hücre gözlendi (Şekil 3).

Bir Nylon-Co-polymer kartuşu neredeyse bir kilogram ağırlığındadır ve maliyeti yalnızca 30 USD’dir. Toplam masraf implantın boyutuna göre değişse de mevcut malzemelerle üretilen normal implantlara göre çok daha ekonomiktir.

TARTIŞMA

3D baskı yeni bir teknolojidir ve her geçen gün bilimsel alanlarda daha fazla yer almaktadır. Bu teknolojinin tıbbın her alanına uyarlanması çok önemlidir. Özellikle cerrahi branşlarda tıbbi cihazlar, implantlar ve retraktörler açısından değerli bir olanaktır. Göğüs cerrahisinde 3D yazıcı kullanımına ilişkin birkaç çalışma yayınlanmıştır. Kurenov ve ark.¹², bölgesel akciğer kemoterapisi alan hastalar için 3D yazıcı ile oluşturulmuş pulmoner arter modelleri hakkında bir makale yayınlamışlardır. 3D hızlı prototiplemenin, anatomik çalışmayı, cerrahi planlamayı ve cihaz geliştirmeyi kolaylaştırmak için kullanılabilecek sofistike anatomik yapıların kopyalanmasına olanak sağladığını açıklamışlardır. Biglino ve ark.¹³, in vitro çalışmalar ve cihaz testleri için uyumlu arteriyel fantomlar için yeni kauçuk benzeri bir malzeme ile 3D baskı yoluyla deneysel kardiyovasküler modelleme hakkında bir makale yayınlamışlardır. 3D yazıcı ile oluşturulan modeller, ameliyat planlamasında üçte iki oranında zaman tasarrufu sağlar ve ameliyat öncesi karmaşık anatomik yapıların görselleştirilmesine yardımcı olur¹⁴. Göğüs cerrahisinde 3D baskı, tümörlerin hayati yapılara yayılımını değerlendirmek ve üst ve alt solunum yolu hastalıklarının tanı ve tedavisine yardımcı olmak için kullanılmaktadır^15-17. Bu alan yeni teknolojik gelişmelere açıktır ve cerrahi alanda çığır açıcı olabilir¹⁸. Bu teknoloji ile yaratıcılığımızın sınırları dahilinde her türlü cihazı üretebiliriz. Farklı tipteki özel cerrahi malzemeleri kendimiz, düşük maliyetle, daha kısa sürede üretebiliriz. Daha fazla çalışmaya ihtiyacımız olsa da bu araştırma aynı zamanda 3D baskının göğüs cerrahisine uyarlanması açısından da önemli bir adımdır.

Çalışmanın Kısıtlılıkları

Örneklem büyüklüğü çalışmanın sınırlılıklarından biridir. Sonraki adımlara geçmek için daha büyük örneklemle yapılan daha fazla çalışmaya ihtiyacımız vardır. Ayrıca, histopatolojik sonuçların, göğüs duvarı rekonstrüksiyonunda kullanılan standart onaylı implantlarla ameliyat edilen kontrol grubuyla karşılaştırılmaması bu çalışmanın ikinci sınırlılığıdır. Ancak bu çalışma preliminer sonuçları sunmaktadır. Bu veriler ışığında kontrol gruplarını da içeren daha büyük örneklemle yapılan çalışmalar düzenleyebiliriz. Bu çalışma, doğrudan 3D yazıcı ile üretilen yeni materyallere sahip implantların göğüs cerrahisi alanında kullanımını ortaya koyan öncü verilerden biridir. Çoğu zaman doğru anatomik modellerin oluşturulmasını mümkün kılan, uygun maliyetli ve erişilebilir olan 3D yazıcı teknolojisi, göğüs cerrahisinde yeni bir teknolojiyi temsil etmektedir. Bu ilerlemeler hekimlerin tedavi yaklaşımlarını kişiselleştirmelerine, cerrahi teknikleri geliştirmelerine ve morbidite ve mortaliteyi azaltmalarına yardımcı olabilir.

SONUÇ

3D yazıcı ile üretilen malzemelerin uygulanması, rekonstrüksiyon veya değiştirme gerektiren cerrahi prosedürler için hassas bir planlama sağlamaktadır. Bu teknolojinin uygulanmasında ilerleme kaydedilse de maliyet açısından fayda sağlayan yeni malzemelerin kullanımı ve tanımlanması konusunda halen sınırlı veriler bulunmaktadır. Bu yeni malzemenin 3D yazıcı ile üretilmesinin, gelecekte göğüs cerrahisinde rekonstrüksiyon için daha düşük maliyetle hızlı prototip oluşturma konusunda bize yardımcı olacağına inanıyoruz.

Etik

Etik Kurul Onayı: Acıbadem Üniversitesi Hayvan Deneyleri Yerel Etik Kurulu (ACU-HADYEK), İstanbul, Türkiye tarafından incelendi ve onaylandı (karar no: 2015/17, tarih: 02.03.2015).

Hasta Onayı: Hayvanlar üzerinde yapılmıştır.

Hakem Değerlendirmesi: Editörler kurulu dışında olan kişiler tarafından değerlendirilmiştir.

Yazarlık Katkıları

Cerrahi ve Medikal Uygulama: N.O.E., M.Y., Konsept: N.O.E., M.Y., B.Y., B.K., Dizayn: N.O.E., M.Y., B.Y., İ.E.S., B.K., Veri Toplama veya İşleme: N.O.E., B.Y., İ.E.S., B.K., Analiz veya Yorumlama: N.O.E., M.Y., B.Y., T.L., İ.E.S., Literatür Arama: N.O.E., B.Y., Yazan: N.O.E., B.Y.

Çıkar Çatışması: Yazarlar bu makale ile ilgili olarak herhangi bir çıkar çatışması bildirmemiştir.

Finansal Destek: Ayrıca çalışma Türkiye Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Kurumu (TÜBİTAK-115S797) tarafından desteklenmektedir.

References

Norman J, Madurawe RD, Moore CM, Khan MA, Khairuzzaman A. A new chapter in pharmaceutical manufacturing: 3D-printed drug products. Adv Drug Deliv Rev. 2017;108:39-50.

Olivieri L, Krieger A, Chen MY, Kim P, Kanter JP. 3D heart model guides complex stent angioplasty of pulmonary venous baffle obstruction in a Mustard repair of D-TGA. Int J Cardiol. 2014;172:e297-8.

Hyde J, MacNicol M, Odle A, Garcia-Rill E. The use of three-dimensional printing to produce in vitro slice chambers. J Neurosci Methods. 2014;238:82-7.

Huang W, Zheng Q, Sun W, Xu H, Yang X. Levofloxacin implants with predefined microstructure fabricated by three-dimensional printing technique. Int J Pharm. 2007;339:33-8.

Owais K, Pal A, Matyal R, Montealegre-Gallegos M, Khabbaz KR, Maslow A, et al. Three-dimensional printing of the mitral annulus using echocardiographic data: science fiction or in the operating room next door? J Cardiothorac Vasc Anesth. 2014;28:1393-6.

Thawani JP, Pisapia JM, Singh N, Petrov D, Schuster JM, Hurst RW, et al. Three-Dimensional Printed Modeling of an Arteriovenous Malformation Including Blood Flow. World Neurosurg. 2016;90:675-83.

Zhang Y, Zhu J, Wang Z, Zhou Y, Zhang X. Constructing a 3D-printable, bioceramic sheathed articular spacer for infected hip arthroplasty. J Med Hypo Idea. 2015;9:13-9.

Mulford JS, Babazadeh S, Mackay N. Three-dimensional printing in orthopaedic surgery: review of current and future applications. ANZ J Surg. 2016;86:648-53.

Ng CS. Recent and Future Developments in Chest Wall Reconstruction. Semin Thorac Cardiovasc Surg. 2015;27:234-9.

Czyz M, Addae-Boateng E, Boszczyk BM. Chest wall reconstruction after en bloc Pancoast tumour resection with the use of MatrixRib and SILC fixation systems: technical note. Eur Spine J. 2015;24:2220-4.

Chudacek J, Bohanes T, Szkorupa M, Klein J, Stasek M, Zalesak B, et al. Strategies of treatment of chest wall tumors and our experience. Rozhl Chir. 2015;94:17-23.

Kurenov SN, Ionita C, Sammons D, Demmy TL. Three-dimensional printing to facilitate anatomic study, device development, simulation, and planning in thoracic surgery. J Thorac Cardiovasc Surg. 2015;149:973-9.e1.

Biglino G, Verschueren P, Zegels R, Taylor AM, Schievano S. Rapid prototyping compliant arterial phantoms for in-vitro studies and device testing. J Cardiovasc Magn Reson. 2013;15:2.

Singhal AJ, Shetty V, Bhagavan KR, Ragothaman A, Shetty V, Koneru G, et al. Improved Surgery Planning Using 3-D Printing: a Case Study. Indian J Surg. 2016;78:100-4.

Giannopoulos AA, Steigner ML, George E, Barile M, Hunsaker AR, Rybicki FJ, et al. Cardiothoracic Applications of 3-dimensional Printing. J Thorac Imaging. 2016;31:253-72.

Wang L, Cao T, Li X, Huang L. Three-dimensional printing titanium ribs for complex reconstruction after extensive posterolateral chest wall resection in lung cancer. J Thorac Cardiovasc Surg. 2016;152:e5-7.

Cheng GZ, San Jose Estepar R, Folch E, Onieva J, Gangadharan S, Majid A. Three-dimensional Printing and 3D Slicer: Powerful Tools in Understanding and Treating Structural Lung Disease. Chest. 2016;149:1136-42.

Gillaspie EA, Matsumoto JS, Morris NE, Downey RJ, Shen KR, Allen MS, et al. From 3-Dimensional Printing to 5-Dimensional Printing: Enhancing Thoracic Surgical Planning and Resection of Complex Tumors. Ann Thorac Surg. 2016;101:1958-62.

Domuzlarda Göğüs Duvarı Rekonstrüksiyonu için 3D Printer ile Kaburga Üretimi: Yeni Bir Malzeme (Nylon 680 Co-Polymer) Deneysel Çalışmanın Preliminer Sonuçları