Revolucionando Implantes Ósseos: Como a Impressão 3D Melhora Ajuste, Longevidade e Desempenho

[Crédito da imagem: Health Canada]
 
Criar implantes ósseos com melhor ajuste, mais duradouros e de maior desempenho é uma busca contínua para ortopedistas e cirurgiões. A impressão 3D está contribuindo enormemente para os avanços nesta área.
 
A tecnologia está permitindo que fabricantes de implantes criem implantes com funcionalidade aprimorada e mais personalizados às necessidades específicas do paciente. Além disso, a impressão 3D abre a porta para implantes personalizados que podem ser criados no ponto de cuidado.
 
Esta semana, continuamos nossa série Application Spotlight de Impressão 3D analisando o uso de impressão 3D para implantes médicos, bem como os benefícios e aplicações atuais da tecnologia.
 
Veja as outras aplicações cobertas nesta série:
 
Impressão 3D para Trocadores de Calor
 
Impressão 3D para Mancais
 
Impressão 3D para Fabricação de Bicicletas
 
Impressão 3D para Odontologia Digital & Fabricação de Alinhadores Transparentes
 
Foguetes Impressos em 3D e o Futuro da Manufatura 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 Turbina
 
Como a Impressão 3D Permite Componentes Hidráulicos de Melhor Desempenho
 
Como a Impressão 3D Apoia 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 ausente — são apenas uma oportunidade que a impressão 3D oferece à indústria médica.
 
O mercado de impressão 3D para ortopedia foi avaliado em $691 milhões em 2018 e previsto pela SmarTech Analysis para crescer para mercado de $3,7 bilhões até 2027.
 
Embora a fabricação de implantes seja aplicação relativamente nova para impressão 3D — foi usada pela primeira vez por volta de 2007 — experimentou crescimento rápido na última década.
 
Em 2010, um adotante inicial da tecnologia de Fusão por Feixe de Elétrons (EBM) de metal da Arcam recebeu as primeiras aprovações da FDA para implantes impressos em 3D. Sete anos depois, mais de 300 impressoras 3D em todo o mundo produziam produtos ortopédicos.
 
Hoje, a tecnologia é usada para criar substituições de articulação de quadril e joelho, implantes de reconstrução craniana e implantes espinhais. Em 2019, estima‑se que mais de 600.000 implantes sejam produzidos com ajuda de impressão 3D. Para 2027, este número deve superar 4 milhões.
 
Com tal enorme oportunidade de crescimento, não surpreende que todos os grandes 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 a Gaiola Lombar Posterior Curva Tritanium TL impressa em 3D. Este implante espinhal de corpo oco recebeu aprovação da FDA em março de 2018.
 
Ao lado da Stryker, outros fabricantes notáveis de dispositivos ortopédicos como DePuy Synthes, subsidiária da Johnson & Johnson, e Medtronic estão investindo pesado em impressão 3D. Esta última lançou plataforma de impressão 3D, Tecnologia TiONIC, em maio de 2018, visando permitir designs mais complexos e tecnologias de superfície integradas para implantes cirúrgicos espinhais.
 
Além de fabricantes estabelecidos de dispositivos médicos, startups médicas também surgiram na última década, desenvolvendo abordagens proprietárias para implantes ortopédicos impressos em 3D.
 
Entre elas estão empresas como Osseus Fusion Systems, Nexxt Spine, 4WEB Medical e SI‑BONE. Alguns de seus produtos já receberam aprovação da FDA e foram usados para tratar pacientes com sucesso.
 
Claramente, houve trajetória ascendente para implantes impressos em 3D na última década. Mas o que exatamente torna esta tecnologia tão útil para implantes médicos?
 

Os benefícios dos implantes impressos em 3D

Flexibilidade de design

 
Com impressão 3D, designs complexos podem ser criados que seriam desafiadores com tecnologias tradicionais. Fabricantes de implantes podem usar este benefício para produzir implantes com características de design complexas como estruturas trabeculares.
 
Osso trabecular é um dos dois tipos de tecido ósseo no corpo humano. Tem estrutura porosa e esponjosa que pode ser difícil de imitar em implante. Tradicionalmente, fabricantes usam revestimento especial para criar estrutura trabecular no implante. No entanto, isso carrega risco de deslaminação e falha do implante.
 
Com impressão 3D, por outro lado, implantes com estrutura trabecular podem ser produzidos diretamente, contornando o processo de revestimento. Mais importante, a estrutura porosa trabecular integrada em um implante impresso em 3D cria implante mais forte com risco reduzido de deslaminação.
 
Tal flexibilidade de design é oferecida por tecnologias de impressão 3D de metal como Fusão Seletiva a Laser ou Fusão por Feixe de Elétrons. Estas tecnologias aplicam fonte de energia poderosa como laser (SLM) ou feixe de elétrons (EBM) em fina camada de pó biocompatível como titânio.
 
Repetindo este processo em centenas de camadas, é possível criar implante complexo que se adaptará à estrutura óssea humana muito mais eficientemente que implantes feitos tradicionalmente.
 
Outro benefício significativo de implantes porosos impressos em 3D é a osseointegração aprimorada.
 
Osseointegração é processo que permite implante tornar‑se parte permanente do corpo. A estrutura porosa trabecular permite que osso cresça dentro dos poros, fortalecendo ainda mais a ligação entre implante e osso existente.
 

Proteção contra tensão reduzida

 
Além disso, fabricantes de dispositivos médicos podem projetar implantes que imitam rigidez e densidade do osso do paciente. Além de melhorar osseointegração, implantes impressos em 3D podem reduzir proteção contra tensão (stress shielding) e aprimorar ainda mais função física.
 
Proteção contra tensão refere‑se ao fenômeno pelo qual implantes metálicos removem tensões típicas do osso do paciente. O resultado é redução na densidade óssea, fazendo o osso ficar mais fraco. Proteção contra tensão pode levar a fraturas e deslocamento. Por isso, projetar implante o mais próximo possível do tecido ósseo do paciente é chave para reduzir proteção contra tensão e eliminar estes efeitos indesejados.
 
Em exemplo recente disto, empresa de TI Altair combinou impressão 3D e software de otimização topológica para criar implante de haste de quadril melhorado.
 
Inserindo parâmetros como tamanho, peso e carga esperada que o implante suportaria, software de otimização topológica foi usado para criar novo design para implante de quadril. O design otimizado distribui tensão e deformação de forma mais eficiente que implante genérico.
 
Além disso, software de otimização topológica ajudou a determinar onde material poderia ser substituído por estruturas de treliça para tornar implante mais leve.
 
Quando testado, o implante otimizado ofereceu redução de proteção contra tensão 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 poderia suportar corrida de Los Angeles a Nova York e volta — duas vezes.
 

Impressão 3D de implantes específicos do paciente

Em casos mais complexos, implantes prontos frequentemente não fornecem a flexibilidade necessária. Impressão 3D pode ajudar nestes casos, oferecendo capacidade de personalizar dispositivos médicos, incluindo implantes.
 
Para produzir implante específico do paciente, fabricantes usam dados adquiridos de exame do paciente, como tomografia computadorizada (TC) ou ressonância magnética (RM). Os dados do paciente são então importados para CAD, preparados para produção, impressos em 3D e finalizados.
 
Usar implante personalizado impresso em 3D oferece potencial para tempo cirúrgico reduzido e melhor ajuste do implante.
 
Atualmente, impressão 3D pode criar implantes cranianos e mandibulares personalizados onde requisitos estéticos são tão importantes quanto funcionalidade.
 
Por exemplo, menino chinês de 10 anos recebeu implante mandibular impresso em 3D em 2018. Ele tinha tumor na mandíbula que não podia ser removido sem causar malformação facial significativa.
 
A equipe cirúrgica concluiu que reconstrução facial convencional era muito perigosa para paciente tão jovem. Buscando solução melhor, recorreram à impressão 3D, usando modelos digitais da mandíbula do menino para projetar implante de titânio personalizado perfeitamente adaptado.
 
Segundo os cirurgiões, implante mandibular foi fácil de ajustar pois baseado na anatomia do paciente. Três meses após procedimento, implantação provou‑se bem‑sucedida, com mandíbula bem alinhada e grande quantidade de tecido crescendo.
 

3 exemplos de implantes impressos em 3D

Implante de quadril impresso em 3D permite alpinismo extremo

 
Romano Benet e sua esposa, Nives Meroi, vêm escalando as montanhas mais perigosas do mundo há muitos anos. Em 2017, a equipe de alpinismo tornou‑se o primeiro casal a escalar todos os 14 picos mais altos do mundo. No entanto, alcançar este feito provavelmente seria impossível sem ajuda da impressão 3D.
 
Benet sofria de necrose avascular bilateral, que essencialmente leva ao colapso do osso.
 
Quando diagnosticado, Benet e sua esposa estavam a três cumes de completar circuito mundial dos 14 montes. Para continuar jornada, o alpinista precisava de implante estável que permitisse recuperação rápida.
 
Por isso, cirurgião de Benet decidiu optar por implante impresso em 3D.
 
O implante, conhecido sob marca Delta Trabecular Titanium (TT) cup, foi produzido pela empresa italiana de dispositivos médicos Lima Corporate, usando impressora EBM 3D da Arcam.
 
Combinando tecnologia Trabecular Titanium da Lima e impressão 3D, foi possível criar implantes que imitavam estrutura porosa do osso natural.
 
Graças a esta estrutura trabecular, implante impresso em 3D pode suportar tensões mecânicas durante atividade rigorosa. Cirurgião de Benet, que havia implantado copos TT algumas vezes em outros pacientes, acreditava que além de oferecer grande estabilidade e força, implantes impressos em 3D também têm potencial para durar além da vida útil de implantes convencionais.
 
Quando Benet recebeu seu primeiro implante não‑impresso‑em‑3D, sofreu muitos meses de inatividade antes de voltar a escalar. Com implante impresso em 3D, o alpinista pôde retomar atividade após dois meses e meio.
 
Em última análise, o implante impresso em 3D fez seu trabalho: permitiu Benet recuperar‑se rapidamente e completar com sucesso sua busca de alcançar os últimos três picos de alta altitude.
 

Osseus Fusion Systems: Caminho rumo a implantes metálicos personalizados

 
Fundada em 2012, Osseus Fusion Systems é empresa baseada nos EUA com foco no desenvolvimento de produtos médicos avançados para lesões relacionadas à coluna.
 
Para melhorar qualidade e funcionalidade de seus produtos, Osseus desenvolveu tecnologia proprietária de impressão 3D chamada PL3XUS.
 
A tecnologia baseia‑se em fusão em leito de pó, especificamente Fusão Seletiva a Laser (SLM), e pode criar implantes de titânio 80% porosos, otimizados para fusão óssea e fixação biológica (processo pelo qual osso vivo se fixa permanentemente à superfície do implante).
 
Em agosto de 2018, Osseus obteve liberação FDA 510(k) para Aries, sua família de dispositivos de fusão intercorporal lombar manufaturados aditivamente. A família de implantes Aries é projetada para ajudar cirurgiões a aliviar dor nas costas e reduzir tempo de recuperação espinhal.
 
No início deste ano, produto Aries da Osseus foi, pela primeira vez, colocado em prática pelo Joseph Spine, centro de cirurgia de coluna e escoliose. Tecnologia PL3XUS permitiu projetar implante com arquitetura similar ao osso de paciente, facilitando crescimento ósseo interno.
 
Nos próximos anos, Osseus planeja lançar dispositivos personalizados baseados em TC, Raios‑X e RM do paciente.
 
Com este próximo passo, a empresa visa capacitar hospitais a fornecer cuidado superior ao paciente e, finalmente, melhorar ainda mais resultados cirúrgicos para pacientes.
 

Impressão de implantes com termoplásticos de alto desempenho

 
Além de titânio e outros metais biocompatíveis, impressão 3D pode ser acoplada a polímeros como PEEK e PEKK para produzir implantes. Estes termoplásticos são conhecidos por sua alta resistência e biocompatibilidade, e também oferecem alguns benefícios sobre implantes metálicos como custos menores e radiolucidez.
 
Em 2013, Oxford Performance Materials (OPM) tornou‑se primeira empresa a receber liberação da FDA para implante craniano 3D impresso em PEKK específico do paciente. Em 2017, OPM havia enviado mais de 1400 implantes cranianos e recebido liberações da FDA para outros dois dispositivos: implantes maxilofaciais e espinhais.
 
A empresa usa tecnologia de Sinterização Seletiva a Laser, que alimenta plataforma proprietária OsteoFab® da OPM para desenvolvimento e produção de implantes. Em um exemplo, esta plataforma permitiu que implante craniano específico do paciente fosse projetado, manufaturado, testado e enviado da OPM em apenas 3 dias úteis. Em menos de uma semana, cirurgiões realizaram cirurgia com sucesso, sem fazer modificações de corte ou furação para remodelar o implante.
 

Impressão 3D para implantes médicos: Causando impacto

Biocompatibilidade, capacidade de carga e durabilidade são requisitos fundamentais para implantes ortopédicos. Impressão 3D atende plenamente a estes requisitos enquanto avança funcionalidade e ajuste dos implantes.
 
Isto pode ser atribuído principalmente à capacidade da tecnologia de criar formas complexas como estruturas porosas, que ajudam o corpo do paciente a se adaptar a um implante mais rápido e com menos complicações.
 
Daqui para frente, impressão 3D para implantes continuará a evoluir. Uma área particularmente entusiasmante de pesquisa em andamento é a combinação de implantes impressos em 3D e sensores. Desenvolvendo implantes com sensores, provedores de saúde podem potencialmente melhorar resultados dos pacientes significativamente.
 
Sensores embutidos poderiam coletar dados como temperatura ao redor do implante, movimento e tensão exercida sobre o implante. Isso permitirá cirurgiões reagirem a potenciais problemas precocemente e adaptarem tratamento às necessidades de pacientes individuais.
 
A Renishaw, fabricante britânica de impressoras 3D de metal, e a Western University já estabeleceram o Centro Additive Design in Surgical Solutions (ADEISS) no campus da universidade. O centro reúne acadêmicos e clínicos para trabalhar no desenvolvimento de novos dispositivos médicos impressos em 3D como os descritos acima.
 
Claramente, tecnologia de impressão 3D está ganhando forte posição no segmento de ortopedia.
 
No entanto, a tecnologia precisará amadurecer para realmente desbloquear seu potencial para implantes personalizados criados no ponto de cuidado.
 
Admitidamente, apenas pequena porcentagem de implantes são atualmente criados sob medida com impressão 3D. Embora a tecnologia tenha enorme potencial, questões sobre padronização e regulação ainda precisam ser abordadas.
 
Dito isso, criar implantes médicos personalizados é onde a tecnologia poderia causar maior impacto e permitir que mais pessoas se beneficiem de saúde personalizada. Acreditamos que esta direção verá tração significativa nos próximos anos.
 
Em nosso próximo artigo, veremos como a impressão 3D pode aprimorar a fabricação de foguetes. Fique ligado!