Destaque do aplicativo:Impressão 3D para implantes médicos

[Crédito da imagem:Health Canada]

Criar implantes ósseos com melhor ajuste, durabilidade e desempenho superior é uma busca contínua para ortopedistas e cirurgiões. A impressão 3D está contribuindo enormemente para os avanços nessa área. A tecnologia está permitindo que os fabricantes de implantes criem implantes com funcionalidade aprimorada e mais personalizados para as necessidades específicas do paciente. Além disso, a impressão 3D abre as portas para implantes personalizados que podem ser criados no ponto de atendimento.

Esta semana, continuamos nossa série 3D Printing Application Spotlight, examinando o uso da impressão 3D para implantes médicos, bem como os benefícios e as aplicações atuais da tecnologia.

Dê uma olhada nos outros aplicativos abordados nesta série:

Impressão 3D para trocadores de calor

Impressão 3D para rolamentos

Impressão 3D para fabricação de bicicletas

Impressão 3D para Odontologia Digital e Fabricação de Alinhador Transparente

Foguetes impressos em 3D e o futuro da fabricação de naves espaciais

Impressão 3D para Fabricação de Calçados

Impressão 3D para componentes eletrônicos

Impressão 3D na Indústria Ferroviária

Óculos impressos em 3D

Impressão 3D para produção de peças finais

Impressão 3D para suportes

Impressão 3D para peças de turbinas

Como a impressão 3D permite componentes hidráulicos de melhor desempenho

Como a impressão 3D apóia a inovação na indústria de energia nuclear

O mercado de impressão 3D médica em 2019

Implantes ortopédicos - dispositivos médicos usados ​​cirurgicamente para substituir uma articulação ou osso em falta - são apenas uma das oportunidades que a impressão 3D oferece para a indústria médica.

O mercado de impressão 3D ortopédica foi avaliado em $ 691 milhões em 2018 e a SmarTech Analysis prevê que crescerá para um mercado de $ 3,7 bilhões em 2027.

Embora a fabricação de implantes seja bastante novo aplicativo para impressão 3D - foi usado pela primeira vez por volta de 2007 - experimentou um rápido crescimento na última década.

Em 2010, um dos primeiros a adotar a tecnologia de impressão 3D de metal de fusão de feixe de elétrons (EBM) da Arcam recebeu as primeiras aprovações do FDA para implantes impressos em 3D. Sete anos depois, mais de 300 impressoras 3D em todo o mundo estavam produzindo produtos ortopédicos.

Hoje, a tecnologia está sendo usada para criar substituições de articulações de quadril e joelho, implantes de reconstrução craniana e implantes espinhais. Em 2019, estima-se que mais de 600.000 implantes sejam produzidos com a ajuda da impressão 3D. Em 2027, esse número deve chegar a 4 milhões.

Com uma oportunidade de crescimento tão grande, não é nenhuma surpresa que todos os principais fabricantes de dispositivos médicos estejam adotando cada vez mais a tecnologia de impressão 3D. A Stryker, uma das maiores empresas de tecnologia médica do mundo, lançou recentemente seus próprios implantes impressos em 3D, incluindo o Tritanium TL Curved Posterior Lumbar Cage impresso em 3D. Este implante espinhal de corpo oco recebeu a aprovação do FDA em março de 2018.

Ao lado da Stryker, outros fabricantes de dispositivos ortopédicos notáveis ​​como DePuy Synthes, uma subsidiária da Johnson &Johnson, e Medtronic estão investindo pesadamente na impressão 3D. Este último lançou uma plataforma de impressão 3D, TiONIC Technology, em maio de 2018, com o objetivo de possibilitar designs mais complexos e tecnologias de superfície integradas para implantes cirúrgicos espinhais. Além dos fabricantes de dispositivos médicos estabelecidos, também surgiram startups na área médica na última década, desenvolvendo abordagens proprietárias para implantes ortopédicos impressos em 3D.

Entre eles estão empresas como Osseus Fusion Systems, Nexxt Spine, 4WEB Medical e SI-BONE. Alguns dos produtos dessas empresas já receberam a aprovação do FDA e têm sido usados ​​para tratar pacientes com sucesso.

Claramente, tem havido uma trajetória ascendente para implantes impressos em 3D na última década. Mas o que exatamente torna essa tecnologia tão útil para implantes médicos?

Os benefícios dos implantes impressos em 3D

Flexibilidade de design

Com a impressão 3D, podem ser criados designs complexos que, de outra forma, seriam difíceis de alcançar com as tecnologias tradicionais. Os fabricantes de implantes podem usar esse benefício para produzir implantes com recursos de design intrincados, como estruturas trabeculares. O osso trabecular é um dos dois tipos de tecido ósseo encontrado no corpo humano. Tem uma estrutura esponjosa e porosa que pode ser difícil de imitar em um implante. Tradicionalmente, os fabricantes de implantes usam um revestimento especial para criar uma estrutura trabecular no implante. No entanto, isso acarreta o risco de delaminação e falha do implante. Por outro lado, com a impressão 3D, os implantes com estrutura trabecular podem ser produzidos diretamente, evitando assim o processo de revestimento. Mais importante ainda, a estrutura trabecular porosa integrada em um implante impresso em 3D cria um implante mais forte com um risco reduzido de delaminação.

Essa flexibilidade de design é oferecida por tecnologias de impressão 3D de metal, como fusão seletiva a laser ou elétron Derretimento do feixe. Essas tecnologias aplicam uma fonte de energia poderosa como um laser (SLM) ou um feixe de elétrons (EBM) em uma camada fina de um pó biocompatível como o titânio.

Repetindo este processo em centenas de camadas, é possível criar um implante complexo que se adaptará à estrutura óssea humana com muito mais eficiência do que os implantes tradicionais. Outro benefício significativo dos implantes impressos em 3D porosos é a osseointegração aprimorada.

Osseointegração é um processo que permite que um implante se torne uma parte permanente do corpo. A estrutura trabecular porosa permite que um osso cresça dentro dos poros, fortalecendo ainda mais a ligação entre o implante e o osso existente.

Proteção contra tensão reduzida

Além disso, os fabricantes de dispositivos médicos podem projetar implantes que imitam a rigidez e densidade óssea de um paciente. Além de melhorar a osseointegração, os implantes impressos em 3D podem reduzir a proteção contra tensões e melhorar ainda mais a função física.

A proteção contra estresse se refere ao fenômeno pelo qual os implantes de metal removem o estresse típico do osso de um paciente. O resultado é a redução da densidade óssea, o que faz com que o osso fique mais fraco. A proteção contra tensões pode causar fraturas e luxações. Por esse motivo, projetar um implante o mais próximo possível do tecido ósseo do paciente é a chave para reduzir a proteção contra tensões e eliminar esses efeitos indesejados.

Em um exemplo recente disso, a empresa de TI Altair combinou software de impressão 3D e otimização de topologia para criar um implante de haste de quadril aprimorado.

Ao inserir parâmetros como tamanho, peso e carga esperada que o implante suportaria, o software de otimização da topologia foi usado para criar um novo design para um implante de quadril. O design otimizado distribui o estresse e a tensão de uma forma mais eficiente do que um implante genérico. Além disso, o software de otimização da topologia ajudou a determinar onde o material poderia ser substituído por estruturas reticuladas para tornar o implante mais leve.

Quando testado, o implante otimizado ofereceu uma redução da proteção contra tensões de 50,7%. Ao mesmo tempo, seu limite de resistência aumentou para cerca de 10 milhões de ciclos. Isso significa que o implante de quadril pode suportar corrida de Los Angeles a Nova York e vice-versa - duas vezes.

Impressão 3D de implantes específicos do paciente

Em casos mais complexos, os implantes de prateleira muitas vezes não podem fornecer a flexibilidade necessária exigida. A impressão 3D pode ajudar nesses casos, oferecendo a capacidade de customizar e personalizar dispositivos médicos, incluindo implantes.

Para produzir um implante específico para o paciente, os fabricantes usam os dados adquiridos de uma varredura do paciente, como uma tomografia computadorizada (TC) ou ressonância magnética (MRI). Os dados do paciente são então importados para CAD, preparados para produção, impressos em 3D e finalizados.

Usar um implante personalizado e impresso em 3D oferece a possibilidade de diminuir o tempo cirúrgico e melhorar o ajuste do implante. Atualmente, a impressão 3D pode ser usada para criar implantes cranianos e de mandíbula personalizados onde os requisitos estéticos são tão importantes quanto a funcionalidade.

Por exemplo, um menino chinês de 10 anos recebeu um implante de mandíbula impresso em 3D em 2018. Ele tinha um tumor na mandíbula que não poderia ser removido sem causar uma malformação facial significativa. A equipe cirúrgica concluiu que uma reconstrução facial convencional era muito perigosa para um paciente tão jovem. Em busca de uma solução melhor, eles se voltaram para a impressão 3D, usando modelos digitais da mandíbula do menino para desenhar um implante de titânio personalizado perfeitamente adaptado.

De acordo com os cirurgiões, o implante de mandíbula era fácil de encaixar, pois era baseou-se na anatomia do paciente. Três meses após o procedimento, o implante mostrou-se bem-sucedido, com a mandíbula bem alinhada e grande crescimento de tecido.

3 exemplos de implantes impressos em 3D

Um implante de quadril impresso em 3D permite escaladas extremas de montanha

Romano Benet e sua esposa, Nives Meroi, têm escalado as montanhas mais perigosas do mundo por muitos anos. Em 2017, a equipe de montanhismo se tornou o primeiro casal a escalar todos os 14 picos mais altos do mundo. No entanto, alcançar esse feito provavelmente seria impossível sem a ajuda da impressão 3D.

Benet estava sofrendo de necrose avascular bilateral, o que, essencialmente, leva ao colapso do osso.

Quando diagnosticado pela primeira vez, Benet e sua esposa estavam a três picos de completar o circuito mundial de todas as 14 montanhas. Para continuar sua jornada, o montanhista precisava de um implante estável que lhe permitisse se recuperar rapidamente.

Por esta razão, o cirurgião de Benet decidiu ir com um implante impresso em 3D.

O implante, conhecido pela marca Delta Trabecular Titanium (TT), foi produzido pela empresa italiana de dispositivos médicos Lima Corporate, usando a impressora 3D EBM da Arcam.

Ao combinar a tecnologia Trabecular Titanium de Lima e a impressão 3D, foi possível criar implantes que imitavam a estrutura porosa do osso natural. Graças a esta estrutura trabecular, um implante impresso em 3D pode suportar tensões mecânicas durante atividades rigorosas. O cirurgião de Benet, que implantou copos de TT várias vezes em outros pacientes, acredita que, além de oferecer grande estabilidade e resistência, os implantes impressos em 3D também têm o potencial de durar além da vida útil dos implantes convencionais.

Quando Benet recebeu seu primeiro implante não impresso em 3D, ele havia sofrido muitos meses de inatividade antes de começar a escalar novamente. Com um implante impresso em 3D, o alpinista foi capaz de retomar sua atividade após dois meses e meio.

Em última análise, o implante impresso em 3D fez seu trabalho:permitiu que Benet se recuperasse rapidamente e concluísse com sucesso sua busca de alcançar os últimos três picos de alta altitude.

Osseus Fusion Systems:a caminho de implantes de metal personalizados

Fundada em 2012, a Osseus Fusion Systems é uma empresa com sede nos Estados Unidos com foco no desenvolvimento de produtos médicos avançados para lesões relacionadas à coluna vertebral.

Para melhorar a qualidade e funcionalidade de seus produtos, a Osseus desenvolveu uma tecnologia de impressão 3D proprietária chamada PL3XUS.

A tecnologia é baseada na impressão 3D de fusão em pó, especificamente a fusão a laser seletiva (SLM), e pode criar implantes de titânio 80% porosos, otimizados para fusão óssea e fixação biológica (o processo pelo qual um osso vivo fixa-se permanentemente à superfície do implante). Em agosto de 2018, a Osseus obteve a liberação FDA 510 (k) para o Áries, sua família de dispositivos de fusão intersomática lombar fabricados aditivamente. A família de implantes Áries foi projetada para ajudar os cirurgiões a aliviar as dores nas costas e reduzir o tempo de recuperação da coluna.

No início deste ano, o produto Áries da Osseus foi, pela primeira vez, colocado em prática por Joseph Spine, um centro de cirurgia de coluna e escoliose. A tecnologia PL3XUS tornou possível projetar o implante com uma arquitetura semelhante ao osso de um paciente, facilitando o crescimento do osso.

Nos próximos anos, a Osseus planeja lançar dispositivos personalizados baseados em tomografias computadorizadas, raios-X e ressonâncias magnéticas de pacientes.

Com esta próxima etapa, a empresa espera capacitar hospitais para fornecer atendimento superior ao paciente e, em última análise, melhorar ainda mais os resultados da cirurgia para os pacientes.

Implantes de impressão 3D com termoplásticos de alto desempenho

Além de titânio e outros metais biocompatíveis, a impressão 3D pode ser acoplada a polímeros como PEEK e PEKK para produzir implantes. Esses termoplásticos são conhecidos por sua alta resistência e biocompatibilidade, e também oferecem alguns benefícios sobre os implantes de metal, como custos mais baixos e radioluscência.

Em 2013, Oxford Performance Materials (OPM) se tornou a primeira empresa a receber autorização da FDA para um implante craniano PEKK impresso em 3D específico para um paciente. Em 2017, a OPM despachou mais de 1.400 implantes cranianos e recebeu autorizações da FDA para dois outros dispositivos:implantes maxilofaciais e espinhais.

A empresa usa a tecnologia Selective Laser Sintering, que alimenta a plataforma OsteoFab® proprietária da OPM para o desenvolvimento e produção de implantes. Em um exemplo, esta plataforma permitiu que um implante craniano específico do paciente fosse projetado, fabricado, testado e enviado pela OPM em apenas 3 dias úteis. Em menos de uma semana, os cirurgiões realizaram a cirurgia com sucesso, sem fazer nenhuma modificação de corte ou perfuração para remodelar o implante.

Impressão 3D para implantes médicos:causando impacto

Biocompatibilidade, capacidade de suporte de carga e durabilidade são os requisitos fundamentais para implantes ortopédicos. A impressão 3D atende totalmente a esses requisitos, ao mesmo tempo em que aprimora a funcionalidade e o ajuste dos implantes.

Isso pode ser atribuído principalmente à capacidade da tecnologia de criar formas complexas, como estruturas porosas, que ajudam o corpo do paciente a se adaptar às um implante mais rápido e com menos complicações.

Daqui para frente, a impressão 3D para implantes continuará a evoluir. Uma área particularmente interessante de pesquisa em andamento é a combinação de implantes e sensores impressos em 3D. Ao desenvolver implantes acionados por sensor, os profissionais de saúde podem melhorar potencialmente os resultados dos pacientes de forma significativa.

Os sensores embutidos podem coletar dados como temperatura ao redor do implante, movimento e tensão exercida sobre o implante. Isso permitirá que os cirurgiões reajam a quaisquer problemas potenciais desde o início e adaptem o tratamento às necessidades de cada paciente.

Renishaw, um fabricante britânico de impressoras 3D de metal, e a Western University já criaram o Centro de Design Aditivo em Soluções Cirúrgicas (ADEISS) no campus da universidade. O centro reúne acadêmicos e médicos para trabalhar no desenvolvimento de novos dispositivos médicos impressos em 3D, como os descritos acima. Claramente, a tecnologia de impressão 3D está ganhando espaço no segmento de ortopedia.

No entanto, a tecnologia precisará amadurecer para realmente desbloquear seu potencial para implantes personalizados produzidos no ponto de atendimento.

É certo que apenas uma pequena percentagem dos implantes são atualmente criados à medida com impressão 3D. Embora a tecnologia tenha um enorme potencial, as questões sobre padronização e regulamentação ainda precisam ser abordadas. Dito isto, é na criação de implantes médicos personalizados que a tecnologia pode causar o maior impacto e permitir que mais pessoas se beneficiem de cuidados de saúde personalizados. Acreditamos que essa direção terá uma tração significativa nos próximos anos.

Em nosso próximo artigo, veremos como a impressão 3D pode aprimorar a fabricação de foguetes. Fique ligado!