La tecnologia di stampa 3D è il nome comune della produzione additiva, nota anche come Rapid proto-manufacturing (RP). I suoi vari nomi riflettono le caratteristiche di questa tecnologia di produzione da diverse prospettive. Basandosi sul principio di accumulo discreto, i dati CAD del modello 3D guidano la produzione diretta di parti. Con il rapido sviluppo della tecnologia di stampa 3D negli ultimi anni, molti paesi europei e americani hanno introdotto successivamente politiche e misure per promuovere lo sviluppo dell'industria della stampa 3D. In Cina, anche il Consiglio di Stato attribuisce grande importanza allo sviluppo della tecnologia di stampa 3D. Nel "Piano 863" e "Made in China 2025", sottolinea l'accelerazione dello sviluppo della tecnologia di produzione additiva.

Attualmente, le applicazioni mediche della stampa 3D possono essere suddivise in diverse categorie: Bio-stampa 3D; Modelli anatomici e di impianto personalizzati; Strumenti medici ausiliari, tra cui arti artificiali, guide chirurgiche, AIDS riabilitativi, ecc.; Ricerca sui farmaci. Nel campo dell'ortopedia, viene utilizzato principalmente per modelli solidi preoperatori, piastre guida chirurgiche, impianti, istruzione e ricerca scientifica, ecc., ed è stato applicato con successo ai pazienti in molte istituzioni mediche. La stampa 3D è stata messa in applicazione clinica in molti ospedali in patria e all'estero, come The Oxford Performance Materials Company e il primo ospedale affiliato della Xi 'an Jiaotong University in Cina. Rispetto alle immagini bidimensionali basate su immagini X, TC o scansione MR, il modello preoperatorio stampato in 3D può riflettere le condizioni del paziente, il che può aiutare i medici a effettuare diagnosi e pianificazione preoperatorie in modo più efficace. Nel frattempo, attraverso la simulazione chirurgica, può ridurre i tempi dell'operazione e ridurre il rischio dell'operazione. L'applicazione della tecnologia di stampa 3D nel campo dell'ortopedia dipende dai dati accurati della struttura anatomica umana derivati da immagini mediche, che hanno un valore applicativo molto buono. In questo documento, sono stati esaminati il principio della stampa 3D correlato all'ortopedia, lo stato di applicazione dell'ortopedia nel modello solido preoperatorio, nella piastra guida chirurgica, negli impianti, nell'insegnamento clinico e nella ricerca scientifica, nonché le sue sfide e carenze. Infine, è stato prospettato il futuro della stampa 3D.

Il principio e la tecnologia chiave della stampa 3D basata sull'applicazione ortopedica

La stampa 3D basata sulle applicazioni ortopediche è realizzata principalmente tramite Reverse Engineering (RE) e prototipazione rapida (RP), il cui processo è illustrato nella Figura 1.

Figura 1. Diagramma di flusso della stampa 3D basata sulle applicazioni ortopediche

1.1 Reverse engineering

Il reverse engineering è un processo di scansione e misurazione di oggetti fisici esistenti con vari dispositivi digitali, ottenendo dati di nuvole di punti dense e quindi ottenendo un modello digitale e una modellazione di entità TRIDIMENSIONALI di oggetti fisici tramite la tecnologia di progettazione assistita da computer. Attualmente, sono stati sviluppati molti software correlati nel campo dell'applicazione medica del reverse engineering, come MIMICS, Geomagic, Imageware, ecc., così come software CAD comunemente utilizzati nel campo meccanico, come UG, PROE, sold-Works -. Gran parte del software si basa sul software di simulazione in miniatura di Materialise, con sede in Belgio, che può correggere e ricostruire i dati scansionati per perfezionare il modello 3D stampato. Si basa sulla ricostruzione 3D di immagini TC mediche, MRI e sull'applicazione di prototipazione rapida di software professionale, più maturo, le funzioni dell'applicazione sono complete, ha una buona funzione di modifica delle immagini.

1.2 Prototipazione rapida

La tecnologia di prototipazione rapida, nota anche come tecnologia di stampa 3D o tecnologia di produzione additiva, è una tecnologia di produzione emergente che ha iniziato a emergere gradualmente alla fine degli anni '80. Basata sul principio di strato su strato, la tecnologia di stampa 3D viene elaborata e formata come un modello solido. È caratterizzata da digitalizzazione, networking, personalizzazione e customizzazione, ed è considerata la tecnologia di base per promuovere la terza rivoluzione industriale. Attualmente, è stata sviluppata vigorosamente come industria emergente strategica in vari paesi, mostrando un futuro luminoso nel campo dell'ortopedia.

Le tecnologie di produzione additiva basate sul trattamento ortopedico includono principalmente la tecnologia di stampaggio fotopolimerizzante stereoscopica (SLA), la tecnologia di fusione laser selettiva (SLM), la tecnologia di deposizione fusa (FDM), la tecnologia di produzione solida stratificata (LOM), ecc. Nel campo dell'ortopedia, SA ha una maggiore precisione e una maggiore velocità di stampaggio. In combinazione con la tecnologia di stampa 3D, la chirurgia ortopedica diventa relativamente facile e ha un grande valore promozionale.

2. Stato di applicazione della tecnologia di stampa 3D in vari campi dell'ortopedia

2.1 Modello solido preoperatorio

L'applicazione della stampa 3D nel modello solido preoperatorio dell'ortopedia si riflette principalmente nella stampa del modello 3D del sito della lesione, che può fornire ai medici informazioni anatomiche più dettagliate rispetto ai dati delle immagini mediche e realizzare la trasformazione da 2D a 3D. La tecnologia di stampa 3D e la tecnologia di reverse engineering consentono ai pazienti di stampare con precisione il modello dell'entità, il sito della lesione per i medici nella diagnosi preoperatoria delle relazioni complesse del sito della lesione, come il modello di anatomia neurale stampato in 3D che riflette la relazione tra le lesioni e la normale struttura cerebrale (come mostrato nella figura 2), aiuta i medici a distinguere le strutture neurovascolari, come questa è una delle immagini TC tradizionali difficili da realizzare. In questo modo, i pazienti possono essere spiegati in modo più vivido e intuitivo e la pianificazione e la simulazione preoperatorie sono più convenienti

Le tecnologie di stampa 3D applicate alla stampa di modelli includono principalmente SLA, DLP, SSFDM e così via

Figura 2. Modello 3D 1 per la pianificazione chirurgica da parte di un neurochirurgo presso il Walter Reed National Military Medical Center

L'applicazione della stampa 3D nel modello solido preoperatorio dell'ortopedia è relativamente matura e ci sono molti casi di successo e rapporti di ricerca in patria e all'estero.

(1) Ricercatori nazionali come Du Hao, Ding Huanwen, Yu Naichun e Diki Rong hanno utilizzato modelli stampati in 3D per simulare la pianificazione e la diagnosi preoperatoria e hanno completato con successo l'operazione con effetti evidenti. Nell'agosto 2014, il professor Liu Zhongjun del Terzo Ospedale della Beijing Medical University ha completato la prima operazione di sostituzione del corpo vertebrale artificiale stampata in 3D al mondo. La prima operazione di impianto di protesi in lega di titanio stampata in 3D con stampaggio diretto in metallo nel Primo Ospedale Affiliato della Xi 'an Jiaotong University: l'operazione è stata pianificata e l'incisione chirurgica ottimale è stata determinata utilizzando il modello di stampa 3D, e infine l'operazione di impianto di costole in lega di titanio stampata in 3D è stata eseguita con successo.

(2) Il team del BIOMED Institute in Belgio ha impiantato con successo la prima protesi mandibolare in titanio stampata in 3D. Secondo la ricerca bibliografica, gli studi di casi esteri di studiosi includono Liu YF, xuLw, Sanghera, Kuhl, ecc. Tra questi, Liu YF et al. ha utilizzato la scansione TC e il reverse engineering per ricostruire e stampare il modello del difetto della mandibola, ha sviluppato piani di trattamento e simulazione preoperatoria e ha determinato i parametri dimensionali rilevanti, che hanno fornito garanzia per il successo dell'operazione. Progettazione digitale combinata con stampa 3D In base al prototipo di articolazione ossea stampato, è possibile progettare la dimensione del dispositivo inserito nella cavità midollare e determinare i parametri del fissatore interno o della protesi personalizzata, in modo da migliorare la sicurezza e l'accuratezza dell'intervento chirurgico, migliorando così l'efficacia chirurgica.

I chirurghi utilizzano la stampa 3D per assistere nel trattamento di casi chirurgici complessi, come la colonna vertebrale e il bacino nei bambini. La stampa 3D è di grande importanza nella progettazione di piani chirurgici, nella selezione del tipo di impianto o fissatore esterno, nel riferimento intraoperatorio all'anatomia del paziente, nell'accuratezza dell'osteotomia e nella comunicazione con il paziente.

2.2 Piastra guida chirurgica

La piastra guida chirurgica è uno strumento di posizionamento ausiliario chirurgico. Con il progresso e la graduale diffusione della tecnologia di stampa D, l'applicazione della piastra guida chirurgica è diventata la scelta migliore per i chirurghi ortopedici di base. I vantaggi del modello di navigazione chirurgica con stampa 3D sono i seguenti: in primo luogo, può semplificare l'operazione, ha una funzione di posizionamento ausiliario, ha una forte flessibilità e migliora l'accuratezza dell'intervento chirurgico; in secondo luogo, può ridurre il rischio di operazione e migliorare la sicurezza dell'operazione, come la riduzione del grado di lesione dei vasi sanguigni e dei nervi ed evitare infezioni della ferita e altre complicazioni. In terzo luogo, il tempo e la frequenza della fluoroscopia chirurgica sono ridotti per proteggere i medici e i pazienti dall'esposizione alle radiazioni.

Le applicazioni della piastra guida chirurgica ortopedica basata sulla stampa 3D includono principalmente la resezione del tumore osseo, la chirurgia dell'osteoartrite, la chirurgia delle fratture complesse, la chirurgia plastica o correttiva, ecc. Tra queste, il sito chirurgico comune della piastra guida è il bacino, l'articolazione, la colonna vertebrale, ecc.