Impresión de partes de personas

Las rodillas, caderas y otras articulaciones de reemplazo son solo el comienzo de la impresión 3D

Es un hecho triste de la vida que cuanto más envejecemos, más nuestros cuerpos comienzan a descomponerse. En el pasado, esto podría haber significado un viaje de ida al mar en el témpano de hielo más cercano. Pero, gracias a la tecnología médica moderna, los humanos pueden esperar vidas más largas y sin dolores.

¿Uno de los facilitadores más geniales y avanzados de estas tecnologías médicas modernas? Fabricación aditiva (AM), por supuesto.

Con AM, los médicos pueden diseñar piezas de repuesto específicas para pacientes para caderas y rodillas envejecidas. Pueden desarrollar ortesis personalizadas, reparar diversas lesiones físicas, imprimir modelos realistas en 3D para capacitación y planificación quirúrgica, y producir dispositivos médicos que antes eran poco prácticos o absolutamente imposibles de fabricar. Si bien esto da como resultado costos más bajos y mejores resultados para los pacientes, en muchos casos, la impresión 3D también puede ser un diferenciador de vida o muerte.

Diana Hall no pretende imprimir ningún dispositivo para salvar vidas, pero le dirá que usar uno de los productos de su compañía mejora el proceso de curación y es más cómodo, conveniente y menos maloliente que un yeso tradicional.

Hall es el fundador y director ejecutivo de ActivArmor Inc., una empresa nueva que está cambiando la forma en que los médicos tratan las fracturas. En lugar de recubrir el área afectada con una cubierta de fibra de vidrio o yeso, que bloquea la visibilidad y el tratamiento de la piel, y debe ser cortada para los exámenes de rutina, el personal médico puede simplemente escanear el brazo, la muñeca, la pierna o el tobillo del paciente con una aplicación gratuita para teléfonos inteligentes. y enviar los datos resultantes a prácticamente cualquier impresora 3D.

Dependiendo de dónde esté ubicada la impresora 3D (en el consultorio del médico, en un sitio de fabricación regional o entre docenas de máquinas similares en las instalaciones de ActivArmor en Pueblo, Colorado), el modelo reutilizable y personalizado está disponible para su uso en unas pocas horas. o unos días. Si es lo último, ActivArmor también proporciona férulas impresas en 3D que se pueden usar mientras se espera.

"Hay una alta tasa de incumplimiento con los moldes de yeso", dijo Hall. "Se empapan y se ensucian. El envoltorio se suelta. Las cosas quedan atrapadas dentro, por lo que el paciente se las quita porque les molesta y no pueden ducharse. A menudo, los pacientes se cortan o se queman durante la extracción.

"Con nuestra solución, el cumplimiento del paciente mejora enormemente", continuó Hall. "Se ajusta en su lugar con bridas y no es necesario quitarlo para ducharse o nadar, y como está hecho de plástico desinfectable, es fácil de mantener limpio. También es mucho más transpirable y no hay necesidad de múltiples yesos, ya que hay con yeso: en la mayoría de las situaciones, un solo dispositivo impreso en 3D lleva al paciente por completo a través del proceso de curación, ya que se convierte de un yeso de brazo largo a uno de brazo corto, y de un yeso bloqueado a una férula removible, por lo que los costos son mucho más bajos".

EastPoint Prosthetics and Orthotics Inc. tampoco fabrica productos médicos que salvan vidas, aunque su trabajo ciertamente puede cambiar la vida. Al igual que muchos médicos, la clínica de Kinston, Carolina del Norte, se ha hecho cargo de los asuntos de fabricación al invertir en varias impresoras Multi Jet Fusion (MJF) de HP Inc. La empresa también está aprendiendo a diseñar y construir una amplia gama de dispositivos personalizados. .

EastPoint comenzó a trabajar con oficinas de servicios de impresión 3D en 2018, pero al cabo de un año decidió adquirir una máquina propia. La razón principal: la calidad.

"Los fabricantes por contrato generalmente son bastante buenos, pero también intentan maximizar las ganancias, por lo que pueden construir algo con una orientación subóptima o usar una estrategia de anidamiento súper densa que podría introducir defectos", explicó Brent Wright, protésico y ortopedista certificado de EastPoint. "Pero las órtesis y prótesis que producimos se usan en las personas. No es como un bien de consumo, donde si algo sale mal, simplemente se imprime uno nuevo. En pocas palabras, no podemos tener fallas".

Es cierto que hay mucho en juego, pero había mucho más en el esfuerzo de EastPoint que aprender a construir rodilleras y plantillas para zapatos. Muchos de los dispositivos impresos en 3D que fabrica soportan carga, como un encaje que se usa para unir a un amputado a una prótesis o un ajuste posoperatorio.

Wright y el equipo tuvieron que aprender a probar físicamente las propiedades mecánicas y la integridad estructural de las piezas de plástico que producen. El proceso podría comenzar con lo que ActivArmor está tratando de eliminar: un molde de yeso.

Sin embargo, Wright se apresura a señalar que EastPoint funciona con todo lo que recibe de los médicos, ya sea una serie de escaneos 3D, un molde de fibra de vidrio o un modelo digital de una parte del cuerpo del paciente.

Dependiendo del dispositivo y de las modificaciones de diseño necesarias, el archivo podría moverse a uno de varios paquetes de software para tareas como la limpieza de mallas, el análisis de elementos finitos y el procesamiento previo a la construcción. El nailon 12 y el uretano termoplástico (TPU) son los polímeros más utilizados para las piezas que soportan carga, pero Wright señaló que están surgiendo nuevas aplicaciones y materiales, algunos de los cuales reciben un procesamiento adicional en la máquina pulidora de vapor de la clínica (para lograr suavidad).

Cuando se le preguntó por qué se necesita la impresión 3D para dispositivos que los especialistas han estado produciendo a mano durante siglos, la respuesta de Wright no fue sorprendente. "Tenemos una población que envejece de técnicos ortopédicos y protésicos altamente experimentados y altamente calificados, y no podemos reemplazarlos", señaló. "La fabricación aditiva nos permite utilizar su talento de manera más efectiva y llenar un vacío crítico en nuestra industria".

En cuanto a la impresión 3D de metal, está Marle Tangible Solutions Inc. de Fairborn, Ohio, donde los ejecutivos Adam Clark y Chris Collins pasan sus días imprimiendo y procesando una amplia gama de implantes ortopédicos. "Los componentes de la columna han sido nuestro pan y mantequilla durante mucho tiempo, pero recientemente nos hemos expandido a nuevos mercados", dijo Collins. "Ahora fabricamos una gran cantidad de piezas para pies y tobillos, así como tornillos, anclajes y otros dispositivos de clase uno, dos y tres, todos los cuales están hechos de aleación de titanio Ti-6Al4V Grado 23".

Tangible ha crecido rápidamente desde su lanzamiento en 2013. La compañía agregó 10 piezas de capital durante el año pasado y actualmente produce cerca de 200 000 implantes al año, según Collins. El éxito llamó la atención del Marle Group de Francia, un fabricante por contrato de dispositivos médicos, que compró una participación mayoritaria en Tangible el año pasado.

Ninguna de las partes que Tangible imprime es novedosa, y cualquiera que haya pasado un tiempo en un taller de máquinas médicas reconocerá las diferentes cajas espinales, bandejas tibiales y copas acetabulares, todas las cuales han existido durante décadas. Dado que AM es ciertamente mucho más lento que los procesos heredados, la pregunta es: ¿por qué imprimir?

“Somos bastante competitivos en costos, pero las razones del éxito de la impresión 3D en esta área van mucho más allá del costo”, dijo Clark. "Por ejemplo, a un vástago de hombro hecho de forma tradicional se le agrega un rociador de plasma para proporcionar rugosidad para mejorar la adhesión al hueso. Pero podemos diseñar y construir esa rugosidad de maneras que otros procesos no pueden. Podemos darle forma de conos o triángulos, o hacerlo más suave en ciertas áreas para una mordida menos agresiva Y no hay necesidad de enmascarar o una operación secundaria costosa.

"También existe un gran potencial para ajustar las propiedades mecánicas de los componentes; es posible que desee diferentes niveles de rigidez en función del peso del paciente, por ejemplo, así como la posibilidad de fabricar implantes o dispositivos correctivos basados ​​en tomografías computarizadas del área afectada. ", continuó Clark. "De hecho, ayudamos a uno de nuestros clientes a aprobar la primera jaula personalizada para pasar por el proceso de aprobación 510(k)".

Dan Crawford sabe todo sobre cómo convertir los datos DICOM obtenidos a través de tomografías computarizadas, resonancias magnéticas y tomografías por emisión de positrones (PET) en dispositivos médicos específicos para pacientes. El fundador de Axial Medical Printing Ltd., con la marca registrada Axial3D y una empresa asociada del gigante de la impresión 3D Stratasys Ltd., administra las operaciones diarias en la sede de la empresa en Irlanda.

DICOM es la abreviatura de imágenes digitales y comunicaciones en medicina. Crawford ha creado un negocio para facilitar al máximo a los cirujanos, hospitales y empresas de dispositivos médicos la segmentación o conversión de datos DICOM en modelos específicos de pacientes que se pueden imprimir en 3D o utilizar con otras soluciones, como la realidad virtual y aumentada ( tecnologías AV/VR).

"La gran mayoría de nuestra empresa está formada por ingenieros de software, ingenieros biomédicos e ingenieros de aprendizaje automático, cuyo trabajo es respaldar y desarrollar aún más lo que es esencialmente 'segmentación como servicio'", explicó Crawford. "Esto elimina la necesidad de que los proveedores médicos inviertan en software costoso y luego aprendan a usarlo. En su lugar, hemos creado una serie de algoritmos de aprendizaje automático que automatizan gran parte del proceso que normalmente requiere un técnico altamente capacitado: el cirujano simplemente carga los archivos de imágenes bidimensionales a nuestra plataforma en la nube y recibe un modelo CAD listo para imprimir en un día o menos. También es de pago por uso, por lo que no hay costos iniciales".

Para hospitales y clínicas que no tienen acceso a una impresora 3D, la asociación de Axial3D con Stratasys ha llevado a la creación de una oficina de servicios que estará más que feliz de imprimir cualquier imagen DICOM que se le envíe. Estos pueden ser similares a las ortesis hechas a la medida que EastPoint Prosthetics fabrica todos los días, o pueden ser réplicas de la columna vertebral, el corazón u otras partes del cuerpo de un paciente que un cirujano usa para practicar y planificar un próximo procedimiento médico.

Eso es música para los oídos de médicos y pacientes por igual, porque los dispositivos médicos asequibles, fáciles de adquirir y personalizados seguramente conducirán a mejores resultados para todos los involucrados. Pero, ¿qué pasa con el comentario anterior de Crawford sobre AR/VR? ¿Estas nuevas tecnologías pronto dejarán obsoleta la impresión 3D de las herramientas de planificación quirúrgica?

En absoluto, según Crawford. "Los dos son completamente complementarios. Un cirujano ortopédico quiere practicar en un objeto que se siente como hueso y músculo, y la impresión 3D mejora en la reproducción de la textura y el color de los tejidos humanos todo el tiempo", explicó. "AR/VR no puede replicar ese tacto y sensación, todavía no, pero lo que puede hacer es permitir que un cirujano cardiovascular se acerque a los vasos sanguíneos y vea pequeños detalles que un modelo impreso en 3D no puede proporcionar... Ambos son necesarios, y ambos seguirán brindando beneficios con los que solo se soñaba hace una década".

Hablando de tecnologías en constante evolución, conozca a Mattia Brodar, jefe de ventas de Spectroplast AG, con sede en Zúrich, una empresa que ha desarrollado una forma productiva y repetible de imprimir en 3D un importante material médico e industrial, la silicona, y construyó una oficina de servicios a su alrededor. Esa es una buena noticia para cualquiera que desee producir piezas de caucho de silicona líquida (LSR) sin los gastos de herramientas y los plazos de entrega que conlleva el moldeo por inyección o la fundición, pero pronto podría conducir a noticias aún mejores para aquellos que prefieren ocuparse de los asuntos AM. sus propias manos.

"Nuestro modelo de negocio se basa en la producción de piezas para nuestros clientes", señaló Brodar. "Para explorar oportunidades para comercializar nuestra tecnología AM, fabricamos una docena de impresoras de escritorio como una solución llave en mano llamada SAM, que significa Fabricación aditiva de silicona. Entonces, mientras todavía estamos evaluando el futuro de ese producto, también hemos desarrollado un nueva solución de impresión para nuestro servicio bajo demanda que es mucho más grande, ofrece una plataforma de construcción de un metro por 30 cm, y tiene aplicaciones mucho más allá de la industria médica".

¿Cuál es el problema de la impresión 3D de silicona? Y dados los cientos, quizás miles de polímeros disponibles, ¿por qué molestarse en inventar una máquina específica para silicona en primer lugar? Para empezar, el LSR tiene la consistencia de la mantequilla de maní y, hasta ahora, procesarlo para AM ha resultado casi imposible mientras ofrece características disminuidas.

Spectroplast afirma haber construido un sistema patentado basado en la luz que no presenta cambios significativos con respecto a los procesos conocidos. Más importante aún, la máquina rompe la tuerca en términos de calidad y precisión de la pieza, según Brodar.

En cuanto al material, Brodar insiste en que utiliza las mismas gomas de silicona que las conocidas en la industria desde hace más de un siglo. No discutirá cómo la empresa logró que la silicona fuera fotopolimerizable, ni entrará en detalles sobre la mitigación de las fuerzas de desprendimiento que afectan a todas las impresoras de materiales de alta viscosidad. Lo que le dirá es que no hay riesgo de delaminación de la capa y que las piezas impresas de Spectroplast exhiben una fuerza casi uniforme en todos los ejes.

Esto abre la puerta a todo tipo de piezas biocompatibles, incluidos los modelos quirúrgicos descritos anteriormente, así como audífonos, herramientas de fisioterapia, muñequeras, conectores de tubos y juntas y sellos que se encuentran en la maquinaria médica. Hasta hace poco, la plataforma de construcción estaba limitada al tamaño de un teléfono inteligente, pero esto parece cambiar con el inminente lanzamiento del SAM industrial a gran escala de Spectroplast.

¿Qué pasa con el elefante en la sala de operaciones: la certificación de la FDA? "El problema aquí es que todo el proceso tiene que estar certificado para, a su vez, certificar un producto específico", dijo Broadar. "Como proveedor de servicios, fabricamos una amplia variedad de piezas, por lo que aún no podemos lograr esto, pero trabajamos en estrecha colaboración con nuestros socios para asegurarnos de que puedan hacerlo. Dicho esto, la respuesta de los OEM médicos y otros desarrolladores de productos de silicona ha sido muy positivo."

Ya sea con orientación médica o no, implementar cualquier tecnología de impresión 3D puede ser un camino difícil, lleno de baches costosos y curvas de aprendizaje prohibitivamente largas. Shannon VanDeren, propietaria y presidenta de Layered Manufacturing and Consulting Inc., Cornelius, NC, sugirió que la mejor manera de superar estos desafíos es encontrar un socio experto que lo guíe.

"A lo largo de los años, he observado cómo una serie de grandes proveedores, algunos de los cuales he trabajado, ofrecen soluciones a clientes potenciales incluso antes de que entiendan el problema", dijo VanDeren. "Si solo venden una impresora que es excelente para titanio, entonces esa es la respuesta, incluso si el cliente también necesita imprimir aluminio o ABS (acrilonitrilo butadieno estireno). Ese enfoque siempre me pareció retrógrado".

Afortunadamente, VanDeren hizo muchas conexiones en el camino, por lo que estaba bien preparada cuando se puso en marcha por su cuenta. Eso fue en 2015, y sigue viendo procesos de ventas que no incluyen recorrer la planta de producción ni obtener una comprensión completa de las necesidades del cliente y sus metas futuras. En un caso no médico notable, recibió una llamada de una empresa que recientemente había comprado una impresora 3D que no podía producir sus piezas principales herméticas al aceite. "Gracias a un vendedor desinformado, ahora tienen un perchero muy caro".

¿Su consejo? Infórmese lo mejor que pueda, amplíe su red para incluir a personas con experiencia en impresión 3D y considere solicitar el consejo de alguien como ella. También le dirá que no se desespere: si bien AM puede parecer desalentador para un usuario pionero, se está volviendo más eficiente y rentable todo el tiempo.

"Creo que el nivel de competencia de la industria está aumentando por varias razones", agregó VanDeren. "Una es que, después de COVID, las personas están cambiando de trabajo nuevamente y se están llevando sus conocimientos de impresión 3D con ellos. Eso no es tan bueno para sus antiguos empleadores, pero definitivamente ayudará a quienes los contrataron a ponerse al día". más rápido Y las ferias comerciales están de vuelta en pleno apogeo. La gente puede venir y aprender y ver lo que ha estado sucediendo durante los últimos tres años mientras todos estábamos recluidos.

"Por último, creo que las personas y las empresas se están animando un poco a compartir cómo usan los aditivos", continuó VanDeren. "Por supuesto, nadie está revelando ninguna salsa secreta, pero cualquier nivel de intercambio de información es positivo. Es ese viejo dicho sobre cómo una marea alta levanta todos los barcos".

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