La tecnología de impresión 3D es el nombre común de la fabricación aditiva, también conocida como protofabricación rápida (RP). Sus diversos nombres reflejan las características de esta tecnología de fabricación desde diferentes perspectivas. Basándose en el principio de apilamiento discreto, los datos CAD del modelo 3D impulsan la fabricación directa de piezas. Con el rápido desarrollo de la tecnología de impresión 3D en los últimos años, muchos países europeos y americanos han introducido sucesivamente políticas y medidas para promover el desarrollo de la industria de la impresión 3D. En China, el Consejo de Estado también concede gran importancia al desarrollo de la tecnología de impresión 3D. En el "Plan 863" y "Hecho en China 2025", hace hincapié en acelerar el desarrollo de la tecnología de fabricación aditiva.

En la actualidad, las aplicaciones médicas de la impresión 3D se pueden dividir en varias categorías: bioimpresión 3D; modelos anatómicos y de plantación personalizados; instrumentos médicos auxiliares, incluidos miembros artificiales, guías quirúrgicas, ayudas de rehabilitación, etc.; Investigación de fármacos. En el campo de la ortopedia, se utiliza principalmente para modelos sólidos preoperatorios, placas guía quirúrgicas, implantes, educación e investigación científica, etc., y se ha aplicado con éxito a pacientes en muchas instituciones médicas. La impresión 3D se ha puesto en aplicación clínica en muchos hospitales nacionales e internacionales, como The Oxford Performance Materials Company y el Primer Hospital Afiliado de la Universidad Jiaotong de Xi'an en China. En comparación con las imágenes bidimensionales basadas en imágenes X, tomografías computarizadas o resonancias magnéticas, el modelo preoperatorio impreso en 3D puede reflejar la condición del paciente, lo que puede ayudar a los médicos a realizar diagnósticos y planificación preoperatorios de manera más efectiva. Mientras tanto, a través de la simulación quirúrgica, puede acortar el tiempo de operación y reducir el riesgo de la operación. La aplicación de la tecnología de impresión 3D en el campo de la ortopedia depende de los datos precisos de la estructura anatómica humana derivados de imágenes médicas, lo que tiene un muy buen valor de aplicación. En este artículo se analiza el principio de la impresión 3D en relación con la ortopedia, el estado de aplicación de la ortopedia en modelos sólidos preoperatorios, placas guía quirúrgicas, implantes, enseñanza clínica e investigación científica, así como sus desafíos y deficiencias. Finalmente, se pronostica el futuro de la impresión 3D.

El principio y la tecnología clave de la impresión 3D basada en aplicaciones ortopédicas

La impresión 3D basada en aplicaciones ortopédicas se logra principalmente a través de la ingeniería inversa (RE) y la creación rápida de prototipos (RP), cuyo proceso se muestra en la Figura 1.

Figura 1. Diagrama de flujo de la impresión 3D basada en aplicaciones ortopédicas

1.1 Ingeniería inversa

La ingeniería inversa es un proceso de escaneo y medición de objetos físicos existentes con varios dispositivos digitales, obteniendo datos densos de nubes de puntos y luego obteniendo un modelo digital y un modelado de entidades TRIDIMENSIONALES de objetos físicos a través de tecnología de diseño asistido por computadora. En la actualidad, se han desarrollado muchos programas relacionados en el campo de la aplicación médica de la ingeniería inversa, como MIMICS, Geomagic, Imageware, etc., así como programas CAD de uso común en el campo mecánico, como UG, PROE, sold-Works -. Gran parte del software se basa en el software de simulación en miniatura de Materialise, con sede en Bélgica, que puede parchear y reconstruir los datos escaneados para refinar el modelo 3D impreso. Se basa en la reconstrucción 3D de imágenes de TC médicas, resonancia magnética y aplicación de prototipos rápidos de software profesional, más maduro, las funciones de la aplicación son completas, tiene una buena función de edición de imágenes.

1.2 Prototipado rápido

La tecnología de prototipado rápido, también conocida como tecnología de impresión 3D o tecnología de fabricación aditiva, es una tecnología de fabricación emergente que comenzó a surgir gradualmente a fines de la década de 1980. Basada en el principio de capa sobre capa, la tecnología de impresión 3D se procesa y se forma como un modelo sólido. Se caracteriza por la digitalización, la interconexión, la personalización y la personalización, y se considera la tecnología central para promover la tercera revolución industrial. En la actualidad, se ha desarrollado vigorosamente como una industria emergente estratégica en varios países, mostrando un futuro brillante en el campo de la ortopedia.

Las tecnologías de fabricación aditiva basadas en el tratamiento ortopédico incluyen principalmente la tecnología de moldeo por fotocurado estereoscópico (SLA), la tecnología de fusión selectiva por láser (SLM), la tecnología de deposición de fusión (FDM), la tecnología de fabricación sólida en capas (LOM), etc. En el campo de la ortopedia, SA tiene mayor precisión y mayor velocidad de moldeo. Combinado con la tecnología de impresión 3D, la cirugía ortopédica se vuelve relativamente fácil y tiene un gran valor de promoción.

2. Estado de la aplicación de la tecnología de impresión 3D en varios campos de la ortopedia

2.1 Modelo sólido preoperatorio

La aplicación de la impresión 3D en el modelo sólido preoperatorio de ortopedia se refleja principalmente en la impresión del modelo 3D del sitio de la lesión, que puede proporcionar a los médicos información anatómica más detallada que los datos de imágenes médicas y realizar la transformación de 2D a 3D. La tecnología de impresión 3D y la tecnología de ingeniería inversa, los pacientes pueden imprimir con precisión el modelo de entidad, el sitio de la lesión para los médicos en el diagnóstico preoperatorio de las relaciones complejas del sitio de la lesión, como el modelo de anatomía neural de impresión 3D refleja la relación entre las lesiones y la estructura cerebral normal (como se muestra en la figura 2), ayuda a los médicos a distinguir las estructuras neurovasculares, como esta es una de las imágenes de TC tradicionales que es difícil de hacer. De esta manera, los pacientes pueden ser explicados de manera más vívida e intuitiva, y la planificación y simulación preoperatorias son más convenientes

Las tecnologías de impresión 3D aplicadas a la impresión de modelos incluyen principalmente SLA, DLP, SSFDM, etc.

Figura 2. Modelo 3D 1 para planificación quirúrgica de un neurocirujano en el Centro Médico Militar Nacional Walter Reed

La aplicación de la impresión 3D en el modelo sólido preoperatorio de ortopedia es relativamente madura, y hay muchos casos exitosos e informes de investigación en el país y en el extranjero.

(1) Investigadores nacionales como Du Hao, Ding Huanwen, Yu Naichun y Diki Rong utilizaron modelos impresos en 3D para simular la planificación y el diagnóstico preoperatorios, y lograron con éxito completó la operación con efectos obvios. En agosto de 2014, el profesor Liu Zhongjun del Tercer Hospital de la Universidad Médica de Beijing completó la primera operación de reemplazo de cuerpo vertebral artificial impreso en 3D del mundo. La primera operación de implante de prótesis de aleación de titanio impresa en 3D con moldeo directo de metal en el Primer Hospital Afiliado de la Universidad Jiaotong de Xi 'an: la operación se planificó y se determinó la incisión quirúrgica óptima utilizando EL modelo de impresión 3D, y finalmente se realizó con éxito la operación de implante de costilla de aleación de titanio impresa en 3D.

(2) El equipo del Instituto BIOMED en Bélgica ha implantado con éxito la primera prótesis de mandíbula de titanio impresa en 3D. Según la búsqueda bibliográfica, los estudios de casos extranjeros realizados por académicos incluyen a Liu YF, xuLw, Sanghera, Kuhl, etc. Entre ellos, Liu YF et al. Se utilizó la tomografía computarizada y la ingeniería inversa para reconstruir e imprimir el modelo del defecto de la mandíbula, se desarrollaron planes de tratamiento y simulación preoperatoria, y se determinaron los parámetros de tamaño relevantes, lo que proporcionó garantía para el éxito de la operación. Diseño digital combinado con impresión 3D De acuerdo con el prototipo de articulación ósea impreso, se puede diseñar el tamaño del dispositivo insertado en la cavidad medular y se pueden determinar los parámetros del fijador interno o la prótesis personalizada, para mejorar la seguridad y la precisión de la cirugía, mejorando así la eficacia quirúrgica.

Los cirujanos utilizan la impresión 3D para ayudar en el tratamiento de casos quirúrgicos complejos, como la columna y la pelvis en niños. La impresión 3D es de gran importancia en el diseño de planes quirúrgicos, selección del tipo de implante o fijador externo, referencia intraoperatoria a la anatomía del paciente, precisión de la osteotomía y comunicación con el paciente.

2.2 Placa guía quirúrgica

La placa guía quirúrgica es una herramienta de posicionamiento auxiliar quirúrgica. Con el progreso y la popularización gradual de la tecnología de impresión D, la aplicación de la placa guía quirúrgica se ha convertido en la mejor opción para los cirujanos ortopédicos básicos. Las ventajas de la plantilla de navegación quirúrgica impresa en 3D son las siguientes: primero, puede simplificar la operación, tiene una función de posicionamiento auxiliar, tiene una gran flexibilidad y mejora la precisión de la cirugía; En segundo lugar, puede reducir el riesgo de la operación y mejorar la seguridad de la operación, como reducir el grado de lesión de los vasos sanguíneos y los nervios, y evitar la infección de la herida y otras complicaciones. En tercer lugar, se reduce el tiempo y la frecuencia de la fluoroscopia quirúrgica para proteger a los médicos y pacientes de la exposición a la radiación.

Las aplicaciones de la placa guía quirúrgica ortopédica basadas en impresión 3D incluyen principalmente la resección de tumores óseos, la cirugía de osteoartritis, la cirugía de fracturas complejas, la cirugía plástica o correctiva, etc. Entre ellas, el sitio quirúrgico común de la placa guía tiene la pelvis, las articulaciones, la columna, etc.