L'impact de la modélisation 3D sur les attelles et les stents des voies respiratoires

Nous avons déjà écrit sur le rôle croissant de la modélisation et de l'impression 3D dans les applications médicales et sur son impact sur l'amélioration de la vie des gens. Mais cette technologie est toujours plus prometteuse pour permettre des procédures qui sauvent des vies.

Dans les blogs précédents, nous avons couvert les prothèses motorisées développées par le groupe de recherche en biomécatronique du MIT où le membre inférieur doit être modélisé pour comprendre la structure interne ainsi que la force des tissus et muscles individuels utilisés pour contrôler le membre. Ainsi, alors que le membre de base est une construction standard, la structure de fixation et de capteur doit être modélisée et fabriquée pour chaque client.

Nous avons également discuté de la façon dont la personnalisation de masse s'étendra à la salle d'opération où les chirurgiens inséreront des stents de veine coronaire et des articulations de remplacement personnalisés pour s'adapter au patient, et que bientôt, les patients verront leurs artères et articulations affectées modélisées en 3D pour déterminer la configuration et la taille exactes. nécessaire.

Ces deux ensembles d'applications démontrent comment la modélisation et l'impression 3D améliorent les traitements et applications existants. Et bien qu'ils changent plus ou moins la vie, il y a une nouvelle application qui est seulement pratique grâce à la modélisation et à l'impression 3D - stents et attelles des voies respiratoires ou trachéales - des éléments qui peuvent sauver des vies.

État actuel des affaires

Les stents actuels des voies respiratoires (arbre trachéobronchique) sont des affaires relativement grossières constituées de tubes en forme de Y avec une sorte de mécanisme pour les maintenir en place. Ils ressemblent plus à quelque chose de votre voiture qu'à un appareil médical. Étant donné que ces stents sont de construction simple et qu'ils ne sont ajustés qu'approximativement, ils peuvent se déplacer dans les voies respiratoires, ce qui réduit leur efficacité. Ou pire, le stent peut se boucher avec du mucus ou provoquer la formation de nouveaux tissus autour du mécanisme destiné à le maintenir en place.

La forme et la taille de ces stents peuvent être personnalisées, mais cela nécessite de prendre des mesures sur le patient puis de les communiquer au fabricant. Ce processus peut prendre des semaines jusqu'à ce qu'un nouveau stent soit livré et aboutit toujours à un stent moins que parfait. Et bien sûr, il y a toujours des cas où un patient ne peut pas attendre.

La fabrication 3D passe au niveau supérieur

Entrez le Dr George Chang du Beth Israel Deaconess Medical Center, qui a vu l'application potentielle de la modélisation et de l'impression 3D pour développer des stents personnalisés qui mettent fin aux problèmes d'ajustement des solutions actuelles. À l'aide d'une subvention pour financer le projet, le Dr Chang a réuni une équipe diversifiée pour s'attaquer au problème. Le premier défi rencontré par l'équipe était qu'aucune imprimante 3D ne pouvait gérer le silicium de qualité médicale nécessaire au stent. La solution consistait à imprimer en 3D un moule qui pourrait ensuite être utilisé pour créer le stent nécessaire à partir du matériau approprié. Sur la base de cette réalisation, l'équipe a écrit un programme pour prendre un scan 3D de la trachée d'un patient et générer le moule nécessaire. Non seulement le nouveau stent est parfaitement ajusté et fonctionne bien mieux que les précédents stents commerciaux, mais le temps de génération du stent ne prend que quelques jours.

Il y a une retombée intéressante des travaux du Dr Chang :les moules fabriqués pour les patients représentent un dispositif de formation très réaliste pour les pneumologues apprenant à pratiquer la bronchoscopie. Non seulement ces moules sont beaucoup moins chers que les modèles de formation actuellement utilisés, mais ils capturent tous les détails d'un véritable arbre trachéobronchique.

Composer jusqu'à onze

Aussi impressionnant que soit le travail de pionnier du Dr Chang, il remplace essentiellement un ancien style de stent. Mais pour les nourrissons souffrant de trachéobronchomalacie (ou TBM), les seuls traitements actuels sont des chirurgies compliquées et une ventilation et une surveillance constantes. Même avec les chirurgies, les chances de survie d'un nourrisson ne sont pas bonnes. Cependant, ceux qui survivent sortent de la condition à l'âge de trois ans.

Le TBM est une condition dans laquelle les voies respiratoires sont comprimées en raison d'organes internes appuyant sur un arbre trachéobronchique faible. Bien qu'un stent puisse être une solution évidente, il existe deux défis majeurs :

• La taille des voies respiratoires du nourrisson. En raison de problèmes d'ajustement, un stent n'est pas pratique.
• Tout remède doit grandir avec le nourrisson.

L'équipe de Scott Hollister, PhD, Glenn Green, PhD, et Robert Morrison, MD, de l'Université du Michigan, Ann Arbor, a proposé le concept d'une attelle imprimée en 3D (entourant la trachée) qui grandit avec le patient. De plus, l'équipe souhaitait créer une attelle biorésorbable, ce qui signifie qu'elle serait simplement absorbée par le corps de l'enfant en quelques années, évitant ainsi la nécessité d'une intervention chirurgicale ultérieure pour retirer l'attelle.

Avec l'aimable autorisation du système de santé de l'Université du Michigan

La solution commence par un modèle 3D construit à partir d'une imagerie CT prise des voies respiratoires du nourrisson. À partir de ce modèle, un modèle imprimé en 3D de l'arbre trachéobronchique de l'enfant utilisé pour l'ajustement est créé, ainsi que l'attelle elle-même. L'attelle est imprimée à l'aide d'un biopolymère appelé polycaprolactone, non seulement biodégradable, mais également peu coûteux. L'attelle résultante est ensuite cousue autour de la trachée de l'enfant, soutenant la trachée jusqu'à ce qu'elle se renforce.

Les résultats sont incroyables. La première opération utilisant l'attelle a été réalisée en février 2012 sur un petit enfant dont la seule alternative était l'étouffement. Dès que l'attelle a été installée, la respiration normale est revenue. Le nourrisson a été retiré d'un ventilateur après 21 jours et a pu rentrer chez lui, ne montrant aucun signe de difficulté respiratoire. Si l'on considère que la MTB touche 1 enfant sur 2 200 nés aux États-Unis, le nombre de vies sauvées sera énorme.

À l'avenir, nous pouvons nous attendre à voir ces types de solutions basées sur la modélisation et l'impression 3D pour créer des stents et des attelles biorésorbables pour traiter diverses conditions, offrant un nouvel espoir à des milliers de patients.