Révolutionner les implants osseux : comment l'impression 3D améliore l'ajustement, la longévité et la performance

[Crédit image : Santé Canada]
 
Créer des implants osseux mieux ajustés, plus durables et plus performants est une quête permanente pour les orthopédistes et chirurgiens. L'impression 3D contribue énormément aux avancées dans ce domaine.
 
La technologie permet aux fabricants d'implants de créer des implants avec une fonctionnalité améliorée et plus personnalisés aux besoins spécifiques des patients. De plus, l'impression 3D ouvre la voie à des implants personnalisés qui peuvent être créés au point de soin.
 
Cette semaine, nous continuons notre série « Application Spotlight » sur l'impression 3D en examinant l'utilisation de l'impression 3D pour les implants médicaux, ainsi que les avantages et applications actuelles de la technologie.
 
Découvrez les autres applications couvertes dans cette série :
 
L'impression 3D pour échangeurs de chaleur
 
L'impression 3D pour roulements
 
L'impression 3D pour la fabrication de vélos
 
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Fusées imprimées en 3D et l'avenir de la fabrication spatiale
 
L'impression 3D pour la fabrication de chaussures
 
L'impression 3D pour composants électroniques
 
L'impression 3D dans l'industrie ferroviaire
 
Lunettes imprimées en 3D
 
L'impression 3D pour la production de pièces finales
 
L'impression 3D pour supports
 
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Comment l'impression 3D permet des composants hydrauliques plus performants
 
Comment l'impression 3D soutient l'innovation dans l'industrie nucléaire
 

Le marché de l'impression 3D médicale en 2019

 
Les implants orthopédiques — dispositifs médicaux utilisés chirurgicalement pour remplacer une articulation ou un os manquant — ne sont qu'une des opportunités qu'offre l'impression 3D à l'industrie médicale.
 
Le marché de l'impression 3D en orthopédie était évalué à 691 millions de dollars en 2018 et devrait, selon SmarTech Analysis, devenir un marché de 3,7 milliards de dollars d'ici 2027.
 
Bien que la fabrication d'implants soit une application relativement nouvelle pour l'impression 3D — utilisée pour la première fois vers 2007 — elle a connu une croissance rapide au cours de la dernière décennie.
 
En 2010, un adopteur précoce de la technologie de fusion par faisceau d'électrons (EBM) métallique d'Arcam a reçu les premières approbations FDA pour des implants imprimés en 3D. Sept ans plus tard, plus de 300 imprimantes 3D dans le monde produisaient des produits orthopédiques.
 
Aujourd'hui, la technologie est utilisée pour créer des remplacements d'articulations de hanche et de genou, des implants de reconstruction crânienne et des implants spinaux. En 2019, on estime que plus de 600 000 implants sont produits avec l'aide de l'impression 3D. D'ici 2027, ce chiffre devrait dépasser 4 millions.
 
Avec une telle opportunité de croissance, il n'est pas surprenant que tous les grands fabricants de dispositifs médicaux adoptent de plus en plus la technologie d'impression 3D.
 
Stryker, l'une des plus grandes entreprises de technologie médicale au monde, a récemment lancé ses propres implants imprimés en 3D, y compris la cage lombaire postérieure courbée Tritanium TL imprimée en 3D. Cet implant spinal à corps creux a reçu l'approbation FDA en mars 2018.
 
Aux côtés de Stryker, d'autres fabricants notables de dispositifs orthopédiques comme DePuy Synthes, une filiale de Johnson & Johnson, et Medtronic investissent massivement dans l'impression 3D. Ce dernier a lancé une plateforme d'impression 3D, la technologie TiONIC, en mai 2018, dans le but de permettre des conceptions plus complexes et des technologies de surface intégrées pour les implants chirurgicaux spinaux.
 
En plus des fabricants de dispositifs médicaux établis, des startups médicales ont également émergé au cours de la dernière décennie, développant des approches propriétaires pour les implants orthopédiques imprimés en 3D.
 
Parmi elles, des entreprises comme Osseus Fusion Systems, Nexxt Spine, 4WEB Medical et SI-BONE. Certains de leurs produits ont déjà reçu l'approbation FDA et ont été utilisés pour traiter avec succès des patients.
 
Clairement, il y a eu une trajectoire ascendante pour les implants imprimés en 3D au cours de la dernière décennie. Mais qu'est-ce qui rend exactement cette technologie si utile pour les implants médicaux ?
 

Les avantages des implants imprimés en 3D

Flexibilité de conception

 
Avec l'impression 3D, des conceptions complexes peuvent être créées qui seraient autrement difficiles à réaliser avec les technologies traditionnelles. Les fabricants d'implants peuvent utiliser cet avantage pour produire des implants avec des caractéristiques de conception complexes comme des structures trabéculaires.
 
L'os trabéculaire est l'un des deux types de tissus osseux trouvés dans le corps humain. Il a une structure spongieuse et poreuse qui peut être difficile à imiter dans un implant. Traditionnellement, les fabricants d'implants utilisent un revêtement spécial pour créer une structure trabéculaire sur l'implant. Cependant, cela comporte un risque de délamination et de défaillance de l'implant.
 
Avec l'impression 3D, en revanche, des implants avec une structure trabéculaire peuvent être produits directement, contournant ainsi le processus de revêtement. Plus important encore, la structure poreuse trabéculaire intégrée dans un implant imprimé en 3D crée un implant plus solide avec un risque réduit de délamination.
 
Une telle flexibilité de conception est offerte par les technologies d'impression 3D métallique comme la Fusion Laser Sélective ou la Fusion par Faisceau d'Électrons. Ces technologies appliquent une source d'énergie puissante comme un laser (SLM) ou un faisceau d'électrons (EBM) sur une fine couche de poudre biocompatible comme le titane.
 
En répétant ce processus sur des centaines de couches, il est possible de créer un implant complexe qui s'adaptera à la structure osseuse humaine beaucoup plus efficacement que les implants fabriqués traditionnellement.
 
Un autre avantage significatif des implants poreux imprimés en 3D est l'ostéo-intégration améliorée.
 
L'ostéo-intégration est un processus qui permet à un implant de devenir une partie permanente du corps. La structure poreuse trabéculaire permet à l'os de croître à l'intérieur des pores, renforçant davantage le lien entre l'implant et l'os existant.
 

Réduction du blindage de contrainte

 
De plus, les fabricants de dispositifs médicaux peuvent concevoir des implants qui imitent la rigidité et la densité osseuse d'un patient. En plus d'améliorer l'ostéo-intégration, les implants imprimés en 3D peuvent réduire le blindage de contrainte et améliorer davantage la fonction physique.
 
Le blindage de contrainte fait référence au phénomène par lequel les implants métalliques éliminent les contraintes typiques de l'os d'un patient. Le résultat est une réduction de la densité osseuse, ce qui rend l'os plus faible. Le blindage de contrainte peut entraîner des fractures et des luxations. Pour cette raison, concevoir un implant aussi proche que possible du tissu osseux du patient est essentiel pour réduire le blindage de contrainte et éliminer ces effets indésirables.
 
Dans un exemple récent, l'entreprise informatique Altair a combiné l'impression 3D et un logiciel d'optimisation topologique pour créer un implant de tige fémorale amélioré.
 
En entrant des paramètres comme la taille, le poids et la charge attendue que l'implant supporterait, le logiciel d'optimisation topologique a été utilisé pour créer une nouvelle conception d'implant de hanche. La conception optimisée répartit les contraintes et déformations de manière plus efficace qu'un implant générique.
 
De plus, le logiciel d'optimisation topologique a permis de déterminer où le matériau pouvait être remplacé par des structures en treillis pour rendre l'implant plus léger.
 
Lors des tests, l'implant optimisé a offert une réduction du blindage de contrainte de 50,7 %. Dans le même temps, sa limite d'endurance a augmenté à environ 10 millions de cycles. Cela signifie que l'implant de hanche pourrait endurer un jogging de Los Angeles à New York et retour — deux fois.
 

Impression 3D d'implants spécifiques au patient

Dans les cas plus complexes, les implants standard ne peuvent souvent pas fournir la flexibilité nécessaire. L'impression 3D pourrait aider dans de tels cas, offrant la capacité de personnaliser les dispositifs médicaux, y compris les implants.
 
Pour produire un implant spécifique au patient, les fabricants utilisent les données acquises à partir d'un scan patient, tel qu'une tomodensitométrie (TDM) ou une imagerie par résonance magnétique (IRM). Les données du patient sont ensuite importées dans la CAO, préparées pour la production, imprimées en 3D et finies.
 
L'utilisation d'un implant personnalisé imprimé en 3D offre le potentiel d'un temps chirurgical réduit et d'un meilleur ajustement de l'implant.
 
Actuellement, l'impression 3D peut être utilisée pour créer des implants crâniens et maxillaires personnalisés où les exigences esthétiques sont aussi importantes que la fonctionnalité.
 
Par exemple, un garçon chinois de 10 ans a reçu un implant maxillaire imprimé en 3D en 2018. Il avait une tumeur dans la mâchoire qui n'aurait pas pu être enlevée sans causer une malformation faciale significative.
 
L'équipe chirurgicale a conclu qu'une reconstruction faciale conventionnelle était trop dangereuse pour un si jeune patient. Cherchant une meilleure solution, ils se sont tournés vers l'impression 3D, utilisant des modèles numériques de la mâchoire du garçon pour concevoir un implant en titane personnalisé parfaitement adapté.
 
Selon les chirurgiens, l'implant maxillaire était facile à ajuster car il était basé sur l'anatomie du patient. Trois mois après la procédure, l'implantation s'est avérée réussie, la mâchoire étant bien alignée et une grande quantité de tissu ayant poussé.
 

3 exemples d'implants imprimés en 3D

Un implant de hanche imprimé en 3D permet l'alpinisme extrême

 
Romano Benet et sa femme, Nives Meroi, gravissent les montagnes les plus dangereuses du monde depuis de nombreuses années. En 2017, le couple d'alpinistes est devenu le premier à gravir les 14 plus hauts sommets du monde. Cependant, réaliser cet exploit aurait probablement été impossible sans l'aide de l'impression 3D.
 
Benet souffrait d'une nécrose avasculaire bilatérale, qui entraîne essentiellement l'effondrement de l'os.
 
Lors du premier diagnostic, Benet et sa femme manquaient trois sommets pour compléter le circuit mondial des 14 montagnes. Pour continuer leur voyage, l'alpiniste avait besoin d'un implant stable qui lui permettrait de récupérer rapidement.
 
Pour cette raison, le chirurgien de Benet a décidé d'opter pour un implant imprimé en 3D.
 
L'implant, connu sous la marque Delta Trabecular Titanium (TT) cup, a été produit par l'entreprise italienne de dispositifs médicaux Lima Corporate, en utilisant l'imprimante 3D EBM d'Arcam.
 
En combinant la technologie Trabecular Titanium de Lima et l'impression 3D, il a été possible de créer des implants qui imitaient la structure poreuse de l'os naturel.
 
Grâce à cette structure trabéculaire, un implant imprimé en 3D peut résister aux contraintes mécaniques lors d'activités rigoureuses. Le chirurgien de Benet, qui avait implanté des coupelles TT à quelques reprises sur d'autres patients, croyait qu'en plus d'offrir une grande stabilité et résistance, les implants imprimés en 3D avaient également le potentiel de durer au-delà de la durée de vie des implants conventionnels.
 
Lorsque Benet a reçu son premier implant non imprimé en 3D, il a souffert de nombreux mois d'inactivité avant de recommencer à grimper. Avec un implant imprimé en 3D, l'alpiniste a pu reprendre son activité après deux mois et demi.
 
Finalement, l'implant imprimé en 3D a fait son travail : il a permis à Benet de récupérer rapidement et de compléter avec succès sa quête d'atteindre les trois derniers sommets de haute altitude.
 

Osseus Fusion Systems : sur la voie vers des implants métalliques personnalisés

 
Fondée en 2012, Osseus Fusion Systems est une entreprise américaine axée sur le développement de produits médicaux avancés pour les blessures liées à la colonne vertébrale.
 
Pour améliorer la qualité et la fonctionnalité de ses produits, Osseus a développé une technologie d'impression 3D propriétaire appelée PL3XUS.
 
La technologie est basée sur la fusion sur lit de poudre, spécifiquement la Fusion Laser Sélective (SLM), et peut créer des implants en titane 80 % poreux, optimisés pour la fusion osseuse et la fixation biologique (le processus par lequel un os vivant s'attache de façon permanente à la surface de l'implant).
 
En août 2018, Osseus a obtenu l'autorisation FDA 510(k) pour Aries, sa famille de dispositifs de fusion intersomatique lombaire fabriqués par addition. La famille d'implants Aries est conçue pour aider les chirurgiens à soulager les maux de dos et à réduire le temps de récupération spinal.
 
Plus tôt cette année, le produit Aries d'Osseus a, pour la première fois, été mis en pratique par Joseph Spine, un centre de chirurgie de la colonne vertébrale et de la scoliose. La technologie PL3XUS a permis de concevoir l'implant avec une architecture similaire à l'os d'un patient, facilitant la croissance osseuse.
 
Dans les prochaines années, Osseus prévoit de lancer des dispositifs personnalisés basés sur les scans TDM, radiographies et IRM des patients.
 
Avec cette prochaine étape, l'entreprise cherche à permettre aux hôpitaux de fournir des soins supérieurs aux patients et, in fine, d'améliorer encore les résultats chirurgicaux pour les patients.
 

Impression 3D d'implants avec des thermoplastiques haute performance

 
En plus du titane et d'autres métaux biocompatibles, l'impression 3D peut être couplée à des polymères comme le PEEK et le PEKK pour produire des implants. Ces thermoplastiques sont connus pour leur haute résistance et biocompatibilité, et offrent également quelques avantages par rapport aux implants métalliques comme des coûts inférieurs et la radiotransparence.
 
En 2013, Oxford Performance Materials (OPM) est devenue la première entreprise à recevoir l'autorisation FDA pour un implant crânien personnalisé imprimé en 3D en PEKK. En 2017, OPM avait expédié plus de 1400 implants crâniens et reçu des autorisations FDA pour deux autres dispositifs : implants maxillo-faciaux et spinaux.
 
L'entreprise utilise la technologie de Frittage Laser Sélectif, qui alimente la plateforme propriétaire OsteoFab® d'OPM pour le développement et la production d'implants. Dans un exemple, cette plateforme a permis de concevoir, fabriquer, tester et expédier un implant crânien spécifique au patient depuis OPM en seulement 3 jours ouvrables. En moins d'une semaine, les chirurgiens ont réalisé l'opération avec succès, sans effectuer de modifications de coupe ou de forage pour remodeler l'implant.
 

L'impression 3D pour implants médicaux : un impact réel

La biocompatibilité, la capacité de charge et la durabilité sont les exigences fondamentales pour les implants orthopédiques. L'impression 3D répond pleinement à ces exigences tout en améliorant la fonctionnalité et l'ajustement des implants.
 
Cela peut être principalement attribué à la capacité de la technologie à créer des formes complexes comme des structures poreuses, qui aident le corps du patient à s'adapter à un implant plus rapidement et avec moins de complications.
 
À l'avenir, l'impression 3D pour les implants continuera d'évoluer. Un domaine de recherche particulièrement passionnant est la combinaison d'implants imprimés en 3D et de capteurs. En développant des implants à capteurs, les fournisseurs de soins de santé pourront potentiellement améliorer significativement les résultats pour les patients.
 
Des capteurs intégrés pourraient collecter des données comme la température autour de l'implant, le mouvement et la contrainte exercée sur l'implant. Cela permettra aux chirurgiens de réagir précocement à tout problème potentiel et d'adapter le traitement aux besoins individuels des patients.
 
Renishaw, un fabricant britannique d'imprimantes 3D métalliques, et l'Université Western ont déjà créé le Centre Additive Design in Surgical Solutions (ADEISS) sur le campus universitaire. Le centre réunit universitaires et cliniciens pour travailler sur le développement de nouveaux dispositifs médicaux imprimés en 3D comme ceux décrits ci-dessus.
 
Clairement, la technologie d'impression 3D gagne une place forte dans le segment orthopédique.
 
Cependant, la technologie devra mûrir pour vraiment libérer son potentiel pour des implants personnalisés créés au point de soin.
 
Admettons-le, seul un petit pourcentage d'implants sont actuellement créés sur mesure avec l'impression 3D. Bien que la technologie recèle un énorme potentiel, des questions de standardisation et de réglementation doivent encore être abordées.
 
Cela dit, la création d'implants médicaux personnalisés est là où la technologie pourrait avoir le plus grand impact et permettre à plus de personnes de bénéficier de soins de santé personnalisés. Nous pensons que cette direction connaîtra une traction significative dans les années à venir.
 
Dans notre prochain article, nous examinerons comment l'impression 3D peut améliorer la fabrication de fusées. Restez à l'écoute !