Una breu història d'impressió en 3D
L'autor de ciència ficció, Arthur C. Clarke, va ser el primer a descriure les funcions bàsiques d'una impressora 3D el 1964. La primera impressora 3D va ser llançada el 1987 per Chuck Hull de 3D Systems i estava utilitzant el procés de "estereolitografia" (SLA) . En els 90 i 2000 es van publicar altres tecnologies d'impressió 3D, incloent FDM per Stratasys i SLS per 3D Systems. Aquestes impressores eren costoses i s'utilitzaven principalment per a prototips industrials. El 2009, el Comitè ASTM F42 va publicar un document que contenia la terminologia estàndard sobre la fabricació d'additius. Esta va establir la impressió 3D com a tecnologia de fabricació industrial. Durant el mateix any, les patents de FDM van caducar i el primer projecte de repressió de baix cost va generar impressores d'escriptori 3D. El que una vegada va costar $ 200,000, de sobte va estar disponible per sota de $ 2,000.
Segons Wohlers, l'adopció d'impressió en 3D continua creixent: més de 1 milió d'impressores 3D d'escriptori es van vendre globalment entre 2015 i 2017 i les vendes d'impressores de metall industrial gairebé es van duplicar el 2017 en comparació amb l'any anterior.
L'autor de ciència ficció, Arthur C. Clarke, va ser el primer a descriure les funcions bàsiques d'una impressora 3D el 1964. La primera impressora 3D va ser llançada el 1987 per Chuck Hull de 3D Systems i estava utilitzant el procés de "estereolitografia" (SLA) . En els 90 i 2000 es van publicar altres tecnologies d'impressió 3D, incloent FDM per Stratasys i SLS per 3D Systems. Aquestes impressores eren costoses i s'utilitzaven principalment per a prototips industrials. El 2009, el Comitè ASTM F42 va publicar un document que contenia la terminologia estàndard sobre la fabricació d'additius. Esta va establir la impressió 3D com a tecnologia de fabricació industrial. Durant el mateix any, les patents de FDM van caducar i el primer projecte de repressió de baix cost va generar impressores d'escriptori 3D. El que una vegada va costar $ 200,000, de sobte va estar disponible per sota de $ 2,000.
Segons Wohlers, l'adopció d'impressió en 3D continua creixent: més de 1 milió d'impressores 3D d'escriptori es van vendre globalment entre 2015 i 2017 i les vendes d'impressores de metall industrial gairebé es van duplicar el 2017 en comparació amb l'any anterior.
AAOS 2019 Desembre. 10.5435/JAAOS-D-18-00746
Three-dimensional Printing Technology in Orthopaedics...
Inici
Conrad Röentgen va canviar el camp de la medicina el 1895 amb la descripció de radiografies de rajos X. Més de 100 anys després, el camp de l’ortopèdia continua influït i dirigit per aquestes imatges bidimensionals. La tecnologia d’imatges s’ha desenvolupat ràpidament en el segle passat i les modernes modalitats d’envelliment, incloses la CT i l’MRI, proporcionen una complexa dimensió bidimensional. Aquestes modalitats poden Aquestes impressores poden transformar imatges d’ordinador en objectes tangibles i funcionals. Com que les impressores en 3D s'han convertit en més precises, assequibles i accessibles, la tecnologia influeix de manera beneficiosa en el camp de l'ortopèdia. De la mateixa manera, els tipus i els costos dels materials d’impressió i el temps necessari per completar les estampes han fet que el procés estigui més àmpliament disponible i en detalls anatòmics. ser manipulat amb un programari únic per crear representacions tridimensionals (3D) de l’anatomia humana mitjançant una interfície d’ordinador. aplicable a cirurgians ortopèdics. L’objectiu d’aquest article és revisar els tipus d’impressores 3D fàcilment disponibles per practicar cirurgians ortopèdics, el funcionament d’aquestes impressores, la regulació sobre impressions 3D ortopèdiques i les aplicacions actuals i futures d’impressió 3D en ortopèdia. Amb aquest article, el cirurgià ortopèdic clínic apreciarà com aquesta tecnologia ha avançat en els darrers anys i les maneres que aquesta tecnologia pugui influir en la seva pràctica ortopèdica actual i futura. Comprendre la tecnologia i els conceptes d’impressió en 3-D és important per al cirurgià ortopèdic practicant, ja que, en ortopèdia, com en molts camps, les impressores en 3D i la impressió tridimensional compleixen un paper més gran i més impactant en l’atenció al pacient, i això és probable per continuar en un futur proper.
Tipus de impressores tridimensionals
El cost per a impressores de gamma alta pot anar des de 10.000 dòlars fins a més d’un milió de dòlars. Les impressores de gamma alta tenen molts avantatges. Ofereixen plataformes de gran construcció, que permeten produir estructures a gran escala i més detallades en tres formats. També són capaços d'imprimir amb una gran varietat de materials diferents (per exemple, plàstic, argila, polímer flexible, niló, metall, etc.). En ortopèdia, les màquines d’alta gamma poden imprimir en diversos materials biocompatibles. Les impressions biocomptibles permeten utilitzar en pacients dispositius com ara guies de tall, guies de col·locació de pins i eines d'alineació entre d'altres. Molts productes ortopèdics s’imprimeixen mitjançant impressores de fusió de llit de pols. Un recipient de pols s’escalfa per sota del punt de fusió del material i una font d’energia crea l’estructura capa per capa a partir del material en pols. Tenint en compte aquestes habilitats i propietats, les impressores 3-D d’alta gamma són normalment operades per indústries o centres acadèmics, que requereixen una col·laboració per col·laborar amb el cirurgià. Perquè el cirurgià obtingui un d’aquests objectes impresos en 3-D per a ús clínic, sovint hi ha un temps d’impressió de diverses setmanes a uns quants mesos. Les impressores 3-D de l'escriptori són alternatives més recents i assequibles per als clínics que exploren aplicacions clíniques. per a impressió en tres. Com que la tecnologia d’impressió en 3-D s’ha fet més fàcilment disponible per aplicar-los a la pràctica, més cirurgians estan interessats en utilitzar aquesta tecnologia per optimitzar l’atenció al pacient.
Les impressores en 3D poden oscil·lar entre 800 i 5.000 dòlars desenvolupats per millorar la cura de les aplicacions. El punt de preu per a ordinadors d’escriptori Els dos tipus d’impressió més comuns per a impressores 3-D d’escriptori són el modelatge de deposició fusionada (FDM) i l’estereolitotografia (SLA) (figura 1). Tant els mètodes FDM com SLA creen una estructura 3D mitjançant fabricació additiva, però aconsegueixen la impressió 3D mitjançant diferents mecanismes. La FDM consisteix en extreure un polímer mitjançant una boquilla escalfada a una temperatura elevada, normalment de més de 200 C, i després refredar ràpidament el polímer per tenir el material dipositat capa per capa, fent que l'estructura 3D. La boquilla de l'extrusora es desplaça per la plataforma de creació durant la impressió per crear l'estructura (figura 2). El mètode d'impressió SLA utilitza una resina líquida i, a continuació, es reticulitza fotogràficament la resina utilitzant, més sovint, llum ultraviolada d'un làser. El làser també es mou a través de la plataforma de creació i crea l'estructura de manera additiva capa per capa des de la resina líquida. El mètode SLA pot crear una resolució i un detall d'impressió més grans a causa del focus làser, però també és més car per a la impressió d'escriptori. Actualment, la majoria d’impressores d’escriptori utilitzen diversos plàstics polimèrics com l’àcid polilàctic i l’acrilonitril butadiè estiren; Tanmateix, molts materials diversos i personalitzats són d’impressores d’escriptori.
Com funcionen les impressores 3D
La impressora 3-D l'utilitza el fitxer STL per generar un codi G. El codi G és un conjunt d’ordres utilitzats per la impressora per determinar com es produeix l’estructura 3-D en plànols dimensionals X, Y- i Z. Els fitxers STL per a estructures impreses 3D ortopèdiques es solen fer en un dels dos mètodes. Un dels mètodes consisteix en crear l'estructura en un programa informàtic conegut com a disseny assistit per ordinador (CAD). Un programa CAD permet al cirurgià dissenyar l’implant, la guia o la pròtesi a l’ordinador abans d’enviar-lo a la impressora en format STL per a la seva impressió. Aquest procés s’utilitza freqüentment en prototipat ràpid de dispositius o eines. Molts programes CAD avançats estan disponibles per a enginyers, arquitectes i usuaris avançats. A més, existeixen plataformes de codi obert gratuïtes, com FreeCad (versió 0.17, https://www.freecadweb.org/, data de llançament 22 d’abril de 2018) que es poden descarregar d’Internet.
El segon mètode, més utilitzat per a la realització de models anatòmics a partir d’estudis d’imatge de pacients, consisteix a convertir les dades avançades de la modalitat d’imatge, com ara CT o MRI, en un fitxer STL per imprimir . Les exploracions CT i MRI es componen de molts fitxers DICOM. Els fitxers DICOM, coneguts com a fitxers Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM), són l’estàndard per a la comunicació i la gestió d’imatges de dades mèdiques avançades Per aïllar les estructures anatòmiques desitjades per a la impressió en 3-D, com ara els ossos per al cirurgià ortopèdic, l’usuari necessita. per penjar els fitxers DICOM d'imatges avançades en un programa de tallar i després realitzar un procés de segmentació. 3D Slicer (versió 4.8, http: // www. Slicer.org, data de llançament 2018) és una plataforma de programari de codi obert gratuït per al processament d’imatges, la segmentació i la visualització en 3D de la medicina. El programa es va crear amb el suport dels Instituts Nacionals de Salut i una comunitat de desenvolupament de programes informàtics a tot el món. Segmentant la regió del cos d'interès assigna codis als diversos teixits de la regió de visualització i permet eliminar teixits que no es volen en l'estructura impresa final. Per a l’ortopèdia, això significa habitualment eliminar o segregar els teixits tous no identificats com a os (vegeu el vídeo, contingut digital suplementari, http: //links.lww. Com / JAAOS / A356). Com que el contrast entre els teixits és una qualitat important per a la segmentació, els TC s'utilitzen més sovint per a aquesta aplicació. Una vegada segmentada correctament la regió anatòmica, el fitxer del model ossi es pot exportar com a fitxer STL i enviar-lo a la impressora 3-D per a la seva impressió.
Abans d'iniciar la impressió 3D, cal que es facin diverses configuracions al programari d'impressió 3D. Aquest procés és similar a l'establiment de les propietats per imprimir un document en paper des d'una impressora d'oficina, amb certes consideracions especials per al material 3-D i el disseny d'impressió. Per exemple, a la impressió FDM, cal seleccionar la configuració per a la generació de material d’estructura de suport i l’addició d’una falda. L’estructura de suport és la bastida que es genera sota una regió d’un model 3-D, per donar suport al model mentre s’imprimeix, que té un contacte directe limitat amb el llit d’impressió. Aquest suport es crea amb més espai aeri, de manera que es pot treure més fàcilment de la impressió final en el postprocessament de la impressió (figura 4). Una falda és un esquema creat per envoltar la part que s’imprimeix sense tocar la impressió final. El doble propòsit de la falda és establir un fluix flux de filaments abans d’iniciar la deposició per al model real i observar qualsevol possible problema d’anivellament o adhesió que pugui interrompre la correcta realització de la impressió. El percentatge de reomplert de l'estructura 3-D també es pot variar del 100% de reompliment, la qual cosa crea una peça completament sòlida i amb molt poc espai aeri. Disminuir aquest percentatge es reduiria el temps de la impressió i es reduiria la quantitat de material necessari, però també canviaria les propietats mecàniques de l'objecte imprès. Un cop establerts aquests paràmetres, la impressora 3-D pot començar a imprimir l'estructura desitjada.
Aplicacions cliniques
Hi ha hagut nombroses aplicacions clíniques d’impressió en 3-D
Aquesta tecnologia ha afectat totes les subespecialitats de cirurgia ortopèdica. La majoria d’avanços d’impressió en 3-D en ortopèdia han estat en les àrees clíniques de l’educació en planificació preoperatòria, guies de col·locació de tall o de pins, dispositius de rehabilitació, simulació / entrenament quirúrgic i desenvolupament de prototipus de pròtesis .
Pot ajudar a il·lustrar procediments d'intervenció a cirurgians novells i pacients i poden ser útils per provar el procediment en anatomia específica del pacient mitjançant l'ús de materials d'impressió capaços de semblar les propietats biomecàniques de l'os. Les impressores 3D d'escriptori actuals permeten imprimir aquests models de regió anatòmica d'espatlla, genoll o maluc en aproximadament 4 a 7 hores, depenent del model i la mida del pacient i de les limitacions de la plataforma. Aquests temps d'impressió són molt variables en funció del tipus de mètode d'impressió utilitzat, del material d'impressió seleccionat, dels paràmetres d'emplenament i del detall seleccionat per a la impressió. Tanmateix, la majoria de models de pacients individuals es poden imprimir en un dia mitjançant impressores d'escriptori, millorant notablement el temps de tornada en comparació amb l'ús d'un servei d'impressió 3D de gamma alta fora de lloc.
Els models impresos en 3D s'han utilitzat en tots els camps de l'ortopèdia, inclosa l'artroplàstia, traumatologia, espatlles, mà, peu i turmell, oncologia-ortopèdia, columna i pediatria per simular reemplaçaments articulars, reconstruccions pèlviques. inestabilitat d’espatlles, correcció d’escoliosi, correcció de varus de cubitus, osteotomies i nombroses altres situacions ortopèdiques .
Vaishya et al, 3 van realitzar una anàlisi del 2018 sobre les taxes de publicacions en investigacions ortopèdiques mitjançant la impressió 3-D i van trobar un augment dramàtic durant l'última dècada.
El 2007, hi havia menys de cinc publicacions ortopèdiques amb tecnologia impresa en 3D; tanmateix, el 2017 es van produir més de 80 publicacions ortopèdiques amb tecnologia impresa en 3D. Aquestes publicacions demostren la tendència creixent i la utilització per a l'ús d'aquesta tecnologia en molts aspectes diferents de la cura ortopèdica. Hi ha una versatilitat en la impressió 3D, que permet a un cirurgià familiaritzat amb les metodologies d'impressió utilitzar aquesta tecnologia per a moltes indicacions ortopèdiques i aplicacions. La impressió 3D també ha tingut un impacte fora del quiròfan per a l'aplicació a suports, procediments i dispositius d'immobilització utilitzats en cures ortopèdiques. Wong et al han creat fèrules fines de maça impresa en 3D que es poden utilitzar en llocs remots i imprimir-les en una hora quan sigui necessari. Els pacients amb amplificacions també s’han beneficiat de la personalització de la impressió en 3D per fer les pròtesis i les instruccions de les extremitats específiques a les seves necessitats individuals.
Aquests dissenys i impressions s’han compartit a Internet per permetre una major col·laboració i intercanvi de 3. -Dades aplicacions impreses. L’Institut Nacional de la Salut ha creat un intercanvi d’impressió en línia en 3D (https: //3dprint.nih. Gov /) per facilitar les col·laboracions en el disseny i la impressió en 3D.
El paper de la impressió 3D en implants clínics només ha estat explorat recentment a causa de les limitacions dels materials biocompatibles, els costos d’esterilitat i la resolució de la impressora. Des de fa molts anys, les empreses ortopèdiques han utilitzat la impressió en 3D per prototipar ràpidament per modificar, implementar canvis i provar dispositius i eines ortodòdiques per a un ús òptim abans d’arribar al mercat.
Tot i això, diversos grups de recerca s’han interessat en estudiar la impressió en 3D per a instruments i implants quirúrgics, especialment per a ús en llocs remots i vols espacials de llarga durada. De la mateixa manera, la impressió tridimensional pot ser una solució per a lliurar instruments quirúrgics i implants a hospitals del món en desenvolupament, quan la manca d’aquestes eines pot ser un desafiament per proporcionar la cura ortopèdica necessària. La capacitat de lliurar una impressora 3D en un lloc remot i imprimir només els subministraments necessaris en lloc de transportar i emmagatzemar equips podria canviar molt la cura ortopèdica en aquestes ubicacions. Aquestes indicacions i aplicacions necessiten més investigacions i revisions abans de la implantació clínica àmplia, ja que a mesura que la tecnologia d'impressió en 3D es desenvolupa i millora, està posicionant-se com a possible solució per al problema d'utilització de recursos en ortopèdia.
Regulació de la impressió tridimensional
Amb tants avenços i aplicacions clíniques emergents, les tecnologies impreses en 3D han estat objecte d'un escrutini regulatori. Als Estats Units, la majoria dels dispositius ortopèdics estan regulats pel Centre per a Dispositius i Salut Radiològica, que forma part de l’Administració d’aliments i medicaments (FDA). La interpretació específica del pacient (PSI) s'ha convertit en un focus en molts camps de l'ortopèdia. Aquesta instrumentació està creada a partir d’estudis avançats d’imatge del pacient i models segmentats en 3-D per crear una correcció o un canvi en l’anatomia del pacient. Actualment s’utilitza més freqüentment per a la col·locació de pròtesis en procediments d’artroplàstia o correccions de deformitat de la columna vertebral. Els dispositius impresos PSI i 3-D en cirurgia ortopèdica normalment es consideren dispositius de classe II, que denoten un risc moderat a alt per al pacient i / o usuari. Per tant, la major part de l’activitat reguladora entorn d’aquests dispositius impresos segueix la ruta 510 (k). Aquesta ruta es descriu a la secció 510 (k) de la Llei sobre aliments, drogues i cosmètics. Això permet a la FDA determinar si el dispositiu equival a un dispositiu ja disponible al mercat per millorar el temps d’aplicació clínica. Les guies impreses 3D de PSI són dispositius únics, ja que estan dissenyats a mida per a cada pacient. Per tant, la demostració d'equivalència o similitud de la tecnologia presenta nous reptes normatius. La FDA va llançar un document d’orientació al desembre del 2017 per aclarir i donar a conèixer les seves expectatives sobre dispositius impresos en 3D titulats, Consideracions tècniques per a dispositius additius fabricats. És important destacar que el document explica que la FDA regula les reclamacions del fabricant sobre els seus dispositius ortopèdics. No regula, però, directament la pràctica clínica de la medicina o l’ortopèdia. Per tant, el metge tractant ha de tenir un paper actiu en la comprensió de la tecnologia per apreciar la utilitat i les limitacions de la tecnologia impresa en 3D en l’atenció al pacient.
La difusió tecnològica és l’adopció àmplia d’una nova innovació. Aquesta difusió s'aplica a una innovació com la impressió 3D. El metge científic ha d’entendre la tecnologia i els seus possibles riscos i beneficis abans d’aplicar la tecnologia a l’atenció al pacient. Per exemple, les guies de tall personalitzades específiques del pacient han tingut resultats clínics barrejats en estudis de seguiment precoç de resultats en pacients amb artroplàstia total del genoll i, tot i que les guies PSI totales de l’espatlla han demostrat constantment una millor col·locació d’implant, no hi ha estudis clínics a llarg termini que demostrin una La literatura revisada per iguals s'ha informat en els beneficis dels resultats. És necessària una investigació més avançada per comprendre el paper d’aquestes tecnologies d’impressió en 3D en l’atenció al pacient.
Aplicacions futures per a la impressió tridimensional
La intersecció entre biològics i materials impresos en 3-D capaços de transformar un material en una bastida bioactiva és una àrea d’interès enorme. Existeixen nombrosos tipus d’impressores en 3D, i és possible que les impressores 3D capaces d’imprimir amb cèl·lules vives puguin contribuir a futures teràpies basades en cèl·lules en ortopèdia. Fins i tot poden oferir alternatives veritablement regeneratives a les quals s'ha evitat l'aplicació clínica fins avui.
La impressió en 3D amb cèl·lules vives sovint es coneix com a bi-impressió en 3D. Aquest tipus d’impressió en 3D és un mètode innovador i innovador per a la fabricació en 3-D de teixits vius i estructures similars a òrgans. La bioprinting és una forma de fabricació d'additius que normalment implica una estructura de bastides que les cèl·lules s'imprimeixen a dins o dins.
La bastida ofereix un suport estructural que crea un entorn adequat per a la residència cel·lular, el creixement, la diferenciació i la síntesi. En una aplicació d’aquest procés, la imatge avançada seria capaç de definir un defecte articular en un model d’ordinador 3-D i facilitaria la creació de bastides basades en cèl·lules impreses en bi-3-D específiques per al pacient per a la regeneració del teixit.
En les institucions acadèmiques i de recerca s'estan desenvolupant impressores personalitzades en 3D per imprimir materials biocompatibles específics. Per exemple, diverses institucions d’investigació estan explorant substituts d’empelts creats com a bastides impreses en 3-D. Aquestes bastides es fabriquen més sovint amb policaprolactona composta, àcid poli-làctic-co-glicòlic i fosfat b-tricalci.
S'ha intentat fer més biològicament compatibles carreus impresos en 3D adjuntant-los a una matriu extracel·lular mineralitzada sol·lível de les cel·les que imita les propietats i les qualitats de l'os. Aquests substituts ossis impresos en 3-D podrien oferir una futura modalitat de tractament per a l'empelt de defectes ossis en trauma, ortopèdia-oncologia i revisió de casos d'artroplàstia. Probablement continuarà la possibilitat de substituir teixits en 3-D i teràcies osteocondrals com a focus de recerca de moltes institucions ortopèdiques en un futur proper.
Cap comentari:
Publica un comentari a l'entrada