Imprimer des parties de personnes

Les genoux, hanches et autres articulations de remplacement ne sont que le début de l'impression 3D

C'est une triste réalité de la vie que plus nous vieillissons, plus notre corps commence à se dégrader. Dans le passé, cela aurait pu signifier un aller simple en mer sur la banquise la plus proche. Mais, grâce à la technologie médicale moderne, les humains peuvent s'attendre à une vie plus longue et sans douleur.

L'un des catalyseurs les plus cool et les plus avancés de ces technologies médicales modernes ? La fabrication additive (AM), bien sûr.

Avec AM, les médecins peuvent concevoir des pièces de rechange spécifiques au patient pour les hanches et les genoux vieillissants. Ils peuvent développer des orthèses personnalisées, réparer diverses blessures physiques, imprimer des modèles 3D réalistes pour la formation et la planification chirurgicale, et produire des dispositifs médicaux qui étaient auparavant peu pratiques ou carrément impossibles à fabriquer. Bien que cela se traduise par une réduction des coûts et une amélioration des résultats pour les patients, dans de nombreux cas, l'impression 3D peut également être un différenciateur de vie ou de mort.

Diana Hall ne prétend pas imprimer de dispositifs de sauvetage, mais elle vous dira que le port de l'un des produits de sa société améliore le processus de guérison et est plus confortable, pratique et moins odorant qu'un plâtre traditionnel.

Hall est le fondateur et PDG d'ActivArmor Inc., une startup qui change la façon dont les médecins traitent les fractures. Plutôt que d'enfermer la zone affectée dans une coque en fibre de verre ou en plâtre - qui bloque la visibilité et le traitement de la peau, et doit être sciée pour les examens de routine - le personnel médical peut simplement scanner le bras, le poignet, la jambe ou la cheville du patient avec une application gratuite pour smartphone et envoyer les données résultantes à pratiquement n'importe quelle imprimante 3D.

Selon l'endroit où se trouve l'imprimante 3D - dans le bureau du praticien, sur un site de fabrication régional ou parmi des dizaines de machines similaires dans les installations d'ActivArmor à Pueblo, Colorado - le moulage personnalisé et réutilisable est disponible pour une utilisation en quelques heures ou quelques jours. Dans ce dernier cas, ActivArmor fournit également des attelles imprimées en 3D qui peuvent être portées en attendant.

"Il y a un taux élevé de non-conformité avec les moulages en plâtre", a déclaré Hall. "Ils deviennent détrempés et sales. L'emballage se détache. Des choses sont piégées à l'intérieur, de sorte que le patient l'enlève parce que cela les dérange et qu'il ne peut pas se doucher. Souvent, les patients se coupent ou se brûlent pendant le retrait.

"Avec notre solution, l'observance du patient s'améliore considérablement", a poursuivi Hall. « Il se verrouille en place à l'aide d'attaches zippées et n'a pas besoin d'être retiré pour prendre une douche ou nager, et parce qu'il est fait de plastique aseptisé, il est facile à nettoyer. beaucoup plus bas."

EastPoint Prosthetics and Orthotics Inc. ne fabrique pas non plus de produits médicaux vitaux, bien que son travail puisse certainement changer la vie. Comme de nombreux médecins, la clinique de Kinston, en Caroline du Nord, a pris les choses en main en investissant dans plusieurs imprimantes Multi Jet Fusion (MJF) de HP Inc. La société apprend également à concevoir et à construire une large gamme d'appareils personnalisés.

EastPoint a commencé à travailler avec des bureaux de service d'impression 3D en 2018, mais en un an, a décidé d'acquérir sa propre machine. La principale raison : la qualité.

"Les fabricants sous contrat sont généralement assez bons, mais ils essaient également de maximiser les profits, ils peuvent donc construire quelque chose dans une orientation sous-optimale ou utiliser une stratégie d'imbrication super dense qui pourrait introduire des défauts", a expliqué Brent Wright, prothésiste et orthésiste certifié pour EastPoint. "Mais les orthèses et les prothèses que nous produisons vont sur les gens. Ce n'est pas comme un bien de consommation, où si quelque chose ne va pas, vous en imprimez simplement un nouveau. En fin de compte, nous ne pouvons pas avoir d'échecs."

Les enjeux sont certes élevés, mais les efforts d'EastPoint ne se limitaient pas à apprendre à fabriquer des genouillères et des incrustations de chaussures. De nombreux dispositifs imprimés en 3D qu'il fabrique sont porteurs de charge, comme une douille utilisée pour joindre un amputé à un membre prothétique, ou un ajustement postopératoire.

Wright et l'équipe ont dû apprendre à tester physiquement les propriétés mécaniques et l'intégrité structurelle des pièces en plastique qu'ils produisent. Le processus pourrait commencer par ce qu'ActivArmor essaie d'éliminer : un plâtre.

Cependant, Wright s'empresse de souligner qu'EastPoint fonctionne avec tout ce qu'il reçoit des cliniciens, qu'il s'agisse d'une série de scans 3D, d'un moule en fibre de verre ou d'un modèle numérique de la partie du corps du patient.

En fonction de l'appareil et des modifications de conception nécessaires, le fichier peut ensuite être déplacé vers l'un des nombreux progiciels pour des tâches telles que le nettoyage du maillage, l'analyse par éléments finis et le traitement de pré-construction. Le nylon12 et l'uréthane thermoplastique (TPU) sont les polymères les plus couramment utilisés pour les pièces porteuses, mais Wright a noté que de nouvelles applications et de nouveaux matériaux émergent, dont certains reçoivent un traitement supplémentaire dans la machine de polissage à la vapeur de la clinique (pour la douceur).

Lorsqu'on lui a demandé pourquoi l'impression 3D était nécessaire pour les appareils que les spécialistes produisent à la main depuis des siècles, la réponse de Wright n'était pas surprenante. "Nous avons une population vieillissante de techniciens en orthèses et prothèses super expérimentés et hautement qualifiés, et nous sommes incapables de les remplacer", a-t-il noté. "La fabrication additive nous permet d'utiliser leur talent de manière plus efficace et de combler une lacune critique dans notre industrie."

En ce qui concerne l'impression 3D métallique, il y a Marle Tangible Solutions Inc. de Fairborn, Ohio, où les cadres Adam Clark et Chris Collins passent leurs journées à imprimer et à post-traiter une large gamme d'implants orthopédiques. "Les composants de la colonne vertébrale sont depuis longtemps notre pain quotidien, mais nous nous sommes récemment étendus à de nouveaux marchés", a déclaré Collins. "Nous fabriquons désormais une multitude de pièces de pied et de cheville ainsi que des vis, des ancres et d'autres dispositifs de classe un, deux et trois, tous fabriqués en alliage de titane Ti-6Al4V grade 23."

Tangible a connu une croissance rapide depuis son lancement en 2013. La société a ajouté 10 biens d'équipement au cours de l'année écoulée et produit actuellement près de 200 000 implants par an, selon Collins. Le succès a attiré l'attention du groupe français Marle, un fabricant sous contrat de dispositifs médicaux, qui a acquis une participation majoritaire dans Tangible l'année dernière.

Aucune des pièces imprimées par Tangible n'est nouvelle, et quiconque a passé du temps dans un atelier d'usinage médical reconnaîtra les différentes cages vertébrales, plateaux tibiaux et cupules acétabulaires, qui existent tous depuis des décennies. Étant donné que la FA est certes beaucoup plus lente que les processus hérités, la question devient alors : pourquoi imprimer ?

"Nous sommes assez compétitifs en termes de coûts, mais les raisons du succès de l'impression 3D dans ce domaine vont bien au-delà des coûts", a déclaré Clark. "Par exemple, une tige d'épaule de fabrication traditionnelle a un spray plasma ajouté pour fournir une rugosité pour une meilleure adhérence osseuse. Mais nous sommes en mesure de concevoir et de construire cette rugosité d'une manière que d'autres processus ne peuvent pas. Nous pouvons la façonner en cônes ou en triangles, ou la rendre plus lisse dans certaines zones pour une morsure moins agressive. Et il n'y a pas besoin de masquage ou d'une opération secondaire coûteuse.

"Il existe également un énorme potentiel pour ajuster les propriétés mécaniques des composants - vous pouvez souhaiter différents niveaux de rigidité en fonction du poids du patient, par exemple, ainsi que la possibilité de fabriquer des implants ou des dispositifs correctifs basés sur des tomodensitogrammes de la zone touchée ", a poursuivi Clark. "En fait, nous avons aidé l'un de nos clients à nettoyer la première cage personnalisée à passer par le processus d'approbation 510(k)."

Dan Crawford sait tout sur la transformation des données DICOM obtenues par tomodensitométrie, IRM et TEP en dispositifs médicaux spécifiques au patient. Le fondateur d'Axial Medical Printing Ltd.—sous la marque Axial3D et une entreprise partenaire du géant de l'impression 3D Stratasys Ltd.—il gère les opérations quotidiennes au siège de l'entreprise en Irlande.

DICOM est l'abréviation de l'imagerie numérique et des communications en médecine. Crawford a bâti une entreprise en facilitant autant que possible la segmentation ou la conversion des données DICOM en modèles spécifiques au patient qui peuvent être imprimés en 3D ou utilisés avec d'autres solutions, telles que les technologies de réalité augmentée et virtuelle (AV/VR).

"La grande majorité de notre entreprise est composée d'ingénieurs en logiciel, d'ingénieurs biomédicaux et d'ingénieurs en apprentissage automatique, dont le travail consiste à soutenir et à développer davantage ce qui est essentiellement la" segmentation en tant que service "", a expliqué Crawford. « Cela élimine le besoin pour les prestataires médicaux d'investir dans un logiciel coûteux et d'apprendre ensuite à l'utiliser. Au lieu de cela, nous avons créé une série d'algorithmes d'apprentissage automatique qui automatisent une grande partie du processus qui nécessite normalement un technicien hautement qualifié : le chirurgien télécharge simplement les fichiers d'image bidimensionnels sur notre plateforme cloud et reçoit un modèle CAO prêt à imprimer en un jour ou moins.

Pour les hôpitaux et les cliniques qui n'ont pas accès à une imprimante 3D, le partenariat d'Axial3D avec Stratasys a conduit à la création d'un bureau de service qui se fera un plaisir d'imprimer toutes les images DICOM qui lui seront envoyées. Celles-ci peuvent être similaires aux orthèses ajustées sur mesure qu'EastPoint Prosthetics fabrique chaque jour, ou elles peuvent être des répliques de la colonne vertébrale, du cœur ou d'autres parties du corps d'un patient qu'un chirurgien utilise pour pratiquer et planifier une intervention médicale à venir.

C'est de la musique aux oreilles des médecins et des patients, car des dispositifs médicaux abordables, faciles à se procurer et personnalisés conduiront sûrement à de meilleurs résultats pour toutes les personnes impliquées. Mais qu'en est-il du commentaire précédent de Crawford sur AR/VR ? Ces nouvelles technologies rendront-elles bientôt obsolète l'impression 3D des outils de planification chirurgicale ?

Pas du tout, selon Crawford. "Les deux sont entièrement complémentaires. Un chirurgien orthopédiste veut s'entraîner sur un objet qui ressemble à un os et à un muscle, et l'impression 3D améliore la reproduction de la texture et de la couleur des tissus humains à tout moment", a-t-il expliqué. "La réalité augmentée/réalité virtuelle ne peut pas reproduire ce toucher et cette sensation - pas encore en tout cas - mais ce qu'elle peut faire, c'est permettre à un chirurgien cardiovasculaire de zoomer sur les vaisseaux sanguins et de voir de minuscules détails qu'un modèle imprimé en 3D ne peut pas fournir. .... Les deux sont nécessaires, et les deux continueront à offrir des avantages dont on ne pouvait rêver qu'il y a dix ans."

En parlant de technologies en constante évolution, rencontrez Mattia Brodar, responsable des ventes chez Spectroplast AG, basée à Zurich, une entreprise qui a développé une manière productive et reproductible d'imprimer en 3D un matériau médical et industriel important - le silicone - et a construit un bureau de service autour de celui-ci. C'est une bonne nouvelle pour tous ceux qui souhaitent produire des pièces à partir de caoutchouc de silicone liquide (LSR) sans les frais d'outillage et les délais liés au moulage par injection ou au moulage, mais cela pourrait bientôt conduire à de meilleures nouvelles pour ceux qui préfèrent prendre les choses en main.

"Notre modèle commercial est basé sur la production de pièces pour nos clients", a noté Brodar. « Pour explorer les opportunités de commercialisation de notre technologie AM, nous avons fabriqué une douzaine d'imprimantes de bureau en tant que solution clé en main appelée SAM, qui signifie Silicone Additive Manufacturing. Alors que nous évaluons toujours l'avenir de ce produit, nous avons également développé une nouvelle solution d'impression pour notre service à la demande qui est beaucoup plus grande, offrant une plate-forme de construction d'un mètre sur 30 cm, et a des applications bien au-delà de l'industrie médicale.

Quel est le problème avec le silicone d'impression 3D ? Et compte tenu des centaines, voire des milliers de polymères disponibles, pourquoi s'embêter à inventer une machine spécifique au silicone en premier lieu ? Pour commencer, le LSR a la consistance du beurre de cacahuète, et jusqu'à présent, le transformer en AM s'est avéré presque impossible tout en offrant des caractéristiques réduites.

Spectroplast prétend avoir construit un système exclusif basé sur la lumière qui ne présente aucun changement significatif par rapport aux processus connus. Plus important encore, la machine craque l'écrou en termes de qualité et de précision des pièces, selon Brodar.

Quant au matériau, Brodar insiste sur le fait qu'il utilise les mêmes caoutchoucs de silicone que ceux connus dans l'industrie depuis plus d'un siècle. Il ne discutera pas de la manière dont l'entreprise a réussi à rendre le silicone photopolymérisable, ni n'entrera dans les détails sur l'atténuation des forces de pelage qui affligent toutes les imprimantes de matériaux à haute viscosité. Ce qu'il vous dira, c'est qu'il n'y a aucun risque de délaminage des couches et que les pièces imprimées de Spectroplast présentent une résistance quasi uniforme dans tous les axes.

Cela ouvre la porte à toutes sortes de pièces biocompatibles, y compris les modèles chirurgicaux décrits précédemment ainsi que les prothèses auditives, les outils de physiothérapie, les bracelets, les connecteurs de tubulure et les joints d'étanchéité que l'on trouve dans les machines médicales. Jusqu'à récemment, la plate-forme de construction était limitée à environ la taille d'un smartphone, mais cela semble changer avec la sortie imminente du SAM industriel à grande échelle de Spectroplast.

Qu'en est-il de l'éléphant dans la salle d'opération : la certification FDA ? "Le problème ici est que l'ensemble du processus doit être certifié pour, à son tour, certifier un produit spécifique", a déclaré Broadar. "En tant que fournisseur de services, nous fabriquons une grande variété de pièces, nous ne pouvons donc pas encore y parvenir, mais nous travaillons en étroite collaboration avec nos partenaires pour nous assurer qu'ils le peuvent. Cela dit, la réponse des équipementiers médicaux et d'autres développeurs de produits en silicone a été très positive."

Qu'elle soit médicale ou non, la mise en œuvre de toute technologie d'impression 3D peut être une route difficile, remplie de nids-de-poule coûteux et de courbes d'apprentissage d'une longueur prohibitive. Shannon VanDeren, propriétaire et président de Layered Manufacturing and Consulting Inc., Cornelius, NC, a suggéré que la meilleure façon de relever ces défis est de trouver un partenaire compétent pour obtenir des conseils.

"J'ai observé au fil des ans un certain nombre de grands fournisseurs - dont certains pour lesquels j'ai travaillé - proposer des solutions à des clients potentiels avant même qu'ils ne comprennent le problème", a déclaré VanDeren. "S'ils ne vendent qu'une imprimante idéale pour le titane, alors c'est la réponse, même si le client peut également avoir besoin d'imprimer de l'aluminium ou de l'ABS (acrylonitrile butadiène styrène). Cette approche m'a toujours semblé rétrograde."

Heureusement, VanDeren a noué de nombreuses relations en cours de route, elle était donc bien préparée lorsqu'elle s'est lancée seule. C'était en 2015, et elle continue de voir des processus de vente qui n'incluent pas la visite de l'atelier de production ou l'acquisition d'une compréhension complète des besoins et des objectifs futurs du client. Dans un cas non médical notable, elle a reçu un appel d'une entreprise qui avait récemment acheté une imprimante 3D qui ne pouvait pas produire ses pièces principales étanches à l'huile. "Grâce à un vendeur mal informé, ils ont maintenant un porte-manteau très cher."

Son conseil ? Renseignez-vous du mieux que vous pouvez, élargissez votre réseau pour inclure ceux qui ont une expérience de l'impression 3D et envisagez de faire appel aux conseils de quelqu'un comme elle. Elle vous dira également de ne pas désespérer : bien que la FA puisse sembler intimidante pour un adopteur précoce, elle devient de plus en plus simple et rentable tout le temps.

"Je pense que le niveau de compétence de l'industrie augmente, pour plusieurs raisons", a ajouté VanDeren. "La première est que, après la COVID, les gens changent à nouveau d'emploi et ils emportent avec eux leurs connaissances en impression 3D. Ce n'est pas si bien pour leurs anciens employeurs, mais cela aidera certainement ceux qui les ont embauchés à se mettre à niveau plus rapidement. Et les salons professionnels battent leur plein. Les gens peuvent venir apprendre et voir ce qui s'est passé au cours des trois dernières années alors que nous étions tous en isolement.

"Enfin, je pense que les gens et les entreprises se réchauffent un peu pour partager la façon dont ils utilisent les additifs", a poursuivi VanDeren. "Bien sûr, personne ne dévoile de sauces secrètes, mais tout niveau de partage d'informations est positif. C'est ce vieux dicton qui dit qu'une marée montante soulève tous les bateaux."

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