Designing spines: Innovations in patient-specific 3D printing

Ralph Mobbs es un neurocirujano del Hospital Prince of Wales, Sydney, Australia.

Diseño de Vertebras: Innovaciones en la impresión 3D específica del paciente

La impresión tridimensional, también conocida como fabricación de aditivos, es una de las plataformas más excitantes que dan forma a la tecnología en sectores tan diversos como el arte, la producción de alimentos y la medicina. En juego desde principios de la década de 1980, es sólo en los últimos años que el potencial de la impresión 3D ha comenzado a recibir atención general. Desde el desarrollo de piel artificial para víctimas de quemaduras hasta el desarrollo de orejas biónicas, la fabricación de aditivos ofrece una variedad inimaginable de posibles aplicaciones en medicina. En esta característica, tomamos una mirada en profundidad a las formas en que la fabricación de aditivos está transformando la cirugía de la columna vertebral desde las perspectivas de los médicos.

Ralph Mobbs, neurocirujano de Sydney, Australia, ha sido pionero en el uso de la impresión 3D en la creación de implantes espinales específicos de pacientes. Él nos lleva a través del estado actual del arte, las aplicaciones futuras en el campo espinal y más allá, así como uno de sus casos más emocionantes hasta el momento.

¿Cómo funciona el proceso de creación de un implante personalizado con un fabricante? ¿Cuánto aporte tiene el médico?

Creación de  un  implante específico  para un paciente personalizado puede tomar bastante tiempo, sin embargo, el proceso se acelerará significativamente a medida que obtenga más experiencia con el flujo de trabajo involucrado.

El primer paso es que el cirujano identifique al paciente que puede beneficiarse de tal implante. Requerimos imágenes de alta calidad del paciente, por lo general una tomografía computarizada de corte fino (TC), para que pueda crearse un modelo de diseño 3D asistido por computadora. Podremos hacer este modelado usando exploraciones de resonancia magnética con algoritmos óseos en el futuro; Sin embargo, esto todavía está en desarrollo.

El segundo paso es que el cirujano se conecte con un ingeniero de diseño asistido por computadora. Corresponde al cirujano interpretar los modelos de imágenes de diseño asistido por ordenador en 3D para ayudar al ingeniero a identificar qué estructuras necesitarán ser removidas y posteriormente reconstruidas.

En tercer lugar, el ingeniero y el cirujano se combinan para diseñar y construir lentamente un implante usando el software de diseño asistido por computadora que entrará en el defecto que necesita ser reconstruido. El cirujano debe tener en cuenta cómo se implantará el implante, la anatomía regional y, por supuesto, las opciones de "rescate" si el procedimiento no va a planificarse.

Predigo que, en el futuro, tendremos software de modelado en el escritorio de un cirujano para que puedan realizar la función del ingeniero, con un mínimo de demoras, para que el proceso de diseño pueda acelerarse significativamente.

Después de crear un modelo de implante específico del paciente en el software de diseño asistido por ordenador, ¡entonces se vuelve un poco más complicado!

Necesitamos determinar cuánta carga se transferirá a través del implante, y las diferentes fuerzas que el implante necesitará para acomodar y transferir. El modelo necesita tener varios detalles agregados. Esto incluye la arquitectura porosa y de la placa final, la estructura de la red a través del implante para transferir la carga, cualquier otra característica específica que pueda ayudar con la implantación y la integridad estructural de la construcción, y la lista continúa.

El cirujano y el ingeniero necesitan trabajar estrechamente juntos, con ambos equipos íntimamente involucrados en todas las fases del diseño y construcción del implante.

¡Finalmente, el diseño del implante va a su impresora 3D local a ser hecho! Hay algunos pequeños detalles de postproducción y control de calidad, pero ahora está listo para ser esterilizado e implantado. No fue tan fácil    Si desea un implante fácil y rápido para su próximo caso, obtenga algo "en el estante", ya que este proceso lleva tiempo y atención al detalle.

¿Cuánto tiempo ha tomado, según su experiencia, desde la consulta del paciente hasta la implantación real?

He estado involucrado en un número de casos hasta la fecha, con el primer implante tardando unos dos meses en planear, imprimir y finalmente llegar a la sala de operaciones. Hemos acelerado significativamente nuestros procesos, y esto se reduce ahora a unas pocas semanas.

En el futuro, mi predicción es que el tiempo de la consulta del paciente a la implantación va de semanas a días y, finalmente, a sólo horas. Habrá una impresora 3D en la esquina de su sala de operaciones. Si no encaja perfectamente, ¡podrá imprimir otro!

Imagine tener una fractura compleja con un paciente anestesiado en la mesa de operaciones, y mientras está haciendo la exposición, la prótesis se está imprimiendo. Llegaremos allí, es sólo cuestión de tiempo.
Ralph Mobbs

Para un cirujano, ¿cuáles son las partes más satisfactorias de usar un dispositivo impreso 3D específico del paciente en la sala de operaciones?

No puedo relacionar en palabras lo satisfactorio que es hacer una operación complicada que es estresante y requiere mucho tiempo, cuando, al final del procedimiento, se llega a colocar un implante perfectamente adaptado y específico del paciente. Es sólo una cosa hermosa.

¿Cree usted que podría haber barreras reguladoras a los implantes 3D personalizados?

Absolutamente sí. No hay un marco estandarizado actual para la regulación de estos implantes. Usted puede finalmente llegar a un punto en el que los implantes de varias partes del cuerpo necesitan para alcanzar ciertos parámetros de carga mecánica basada en el modelado de diseño asistido por computadora. Esto ha sido una barrera para la implementación, sin embargo, en mi opinión, los beneficios superan los riesgos de esta tecnología en este momento.

¿Cuáles son los beneficios más emocionantes que ofrece la impresión 3D para los cirujanos de columna ?

La capacidad para diseñar un implante que encaje perfectamente para una situación dada es oro. Puede marcar, o marcar hacia abajo, el grado de porosidad de la placa final, dependiendo de lo que desee lograr y la velocidad de la osteointegración. ¡El futuro seguirá mejorando!

¿En qué circunstancias esta tecnología es más útil?

Las operaciones reconstructivas complejas son el blanco. El tipo de operación en la que no existe una opción de implante pre-fabricada "conveniente" es el punto ideal. Los cánceres, los traumatismos y las condiciones degenerativas avanzadas se prestan muy bien a esta tecnología.

En el futuro, sin embargo, estoy seguro de que cualquier condición degenerativa se beneficiará, ya sea la cadera y la rodilla, o la columna vertebral.

Reporte de un caso

Mobbs realizó una vertebrectomía T9 completa y una resección de la costilla T9-10 en una paciente joven, con un tumor y una fractura patológica, así como una deformidad sagital y coronal. Las vértebras fueron reemplazadas por un implante 3D específico para el paciente, diseñado por Mobbs y su equipo, junto con una empresa de fabricación. Se diseñaron varias jaulas de titanio porosas antes de la cirugía con diferentes especificaciones de tamaño. El implante final fue de 12 mm con una gran huella. La cirugía se completó con éxito, con una pérdida de sangre relativamente mínima, sin complicaciones y funcionamiento normal de la médula espinal al final del caso. Mobbs describe los detalles del caso y los placeres de realizar este tipo de cirugía con un implante perfectamente diseñado.

El año pasado, tuve una chica en su adolescencia con un tumor de la columna vertebral muy raro. No lo estaba haciendo bien. Ella tenía dolor mecánico terrible en la parte posterior como una de sus vértebras fue destruida por el tumor, y la compresión progresiva de la médula espinal. Había completado radioterapia y quimioterapia, y su condición se estaba deteriorando.

La dificultad, sin embargo, era que no sólo tenía una vértebra destruida, sino que su columna vertebral estaba doblada hacia adelante y retorcida a un lado. Necesitaba un procedimiento muy importante -una amplia resección tumoral-, pero también un plan para volver a ponerla de nuevo. Un verdadero desafío y algo que me encanta hacer.

Hemos desarrollado su operación utilizando el software de diseño asistido por computadora 3D para planificar el enfoque, planear la resección del tumor y también planificar la reconstrucción. Seguro que es emocionante poder hacer la operación en una computadora antes de ir a cualquier lugar cerca de la sala de operaciones! Después de planear la resección del tumor y la descompresión de la médula espinal, determinamos el tamaño y la forma del defecto que necesitábamos reconstruir, y luego nos pusimos a trabajar en el diseño del implante 3D específico del paciente.

Trabajé con un ingeniero de ProCRO, una firma de diseño que se especializa en la impresión médica 3D. Hemos impreso varios modelos de plástico en varios estados del procedimiento quirúrgico, a continuación, diseñado el implante personalizado para imitar la altura normal y la angulación de las vértebras en lo que predijo que debería ser antes de que fue destruido por el tumor. Fue genial imprimir un implante sobre la base de lo que debería ser la columna vertebral, luego entrar en el quirófano y realizar el procedimiento.

La cirugía fue hermosa. El implante encajó como una llave en una cerradura perfectamente equipada-sólo cosas mágicas. Realmente proporciona un enorme salto hacia adelante en la cirugía reconstructiva compleja. Este es el camino del futuro, sin duda alguna. El paciente se recuperó increíblemente bien, y estaba de vuelta en la cancha de netball tres meses después de la cirugía. Hay tantos beneficios al usar implantes 3D personalizados, no sabría por dónde empezar ... La prótesis personalizada agregó un valor significativo, no sólo con la reducción en el tiempo operatorio, sino con proporcionar la estabilidad firme inicial del segmento de cáncer y perfecta.

¿Qué mejoras deben hacerse en el mercado para que estos tipos de implantes se vuelvan más ampliamente utilizados?

La primera cuestión importante es el tiempo entre el cirujano que identifica al paciente apropiado y la producción del implante final. Es largo; Sin embargo, esta vez se acorta rápidamente.

En segundo lugar, los implantes espinales están siendo impresos en titanio. Necesitamos explorar una nueva gama de biomateriales adecuados.

Por último, el perfil de gastos de estos implantes hace que sea difícil hacer un caso de negocio, excepto cuando los implantes están siendo impresos en 3D para su uso "fuera de la plataforma ". Los implantes específicos del paciente seguirán siendo de alto costo hasta que la velocidad de diseño e impresión se reduzca significativamente.

¿Cuáles cree que son los próximos pasos para esta tecnología en los próximos años?

El primer paso es asegurar el marco regulatorio. Esto necesita ser resuelto rápidamente para la captación continua de los implantes específicos del paciente.

El siguiente paso es ampliar las indicaciones para el uso de esta tecnología. El uso primario es para la reconstrucción compleja, sin embargo, veremos más implantes 3D-impresos para procedimientos de rutina, ya sea para la fusión o para la cirugía de reemplazo de disco de conservación de movimiento.

La fabricación de aditivos no es sólo para implantes específicos de pacientes, sino que también se puede usar para aplicaciones de venta. Un ejemplo de esto es la gama Stryker Tritanium. Ellos producen un implante 3D diseñado para una excelente porosidad, facilidad de implantación, y con una buena firma radiológica. La gama se fabrica utilizando la impresión 3D, sin embargo esto es para un uso de alto volumen en lugar de para un solo procedimiento único.

¿Dónde más en la medicina crees que la impresión 3D tendrá un gran impacto?

¡En todas partes y en cualquier lugar! En este momento estamos imprimiendo implantes reconstructivos sin embargo, en el futuro, es probable que imprima implantes biológicos basados ​​en las propias líneas celulares del paciente.

Predigo que vamos a utilizar diferentes formas de biomateriales para la impresión, y finalmente la impresión de las propias células de los pacientes en un andamio para nuevos órganos; Piel impresa, hígado o un corazón.

El futuro con 3D será cada vez más emocionante.

Ralph Mobbs es un neurocirujano del Hospital Prince of Wales, Sydney, Australia.

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