Uno de los campos más prometedores para las aplicaciones de la impresión 3D es la industria médica, que requiere componentes plásticos y metálicos personalizables, biocompatibles y esterilizables. Aunque la fabricación aditiva pueda parecer ciencia ficción, cada año se desarrollan un número creciente de aplicaciones médicas utilizando esta tecnología.

Utilizando la impresión 3D, los pacientes pueden obtener implantes, prótesis y dispositivos personalizados, eficientes y asequibles; brinda a los médicos nuevas herramientas para realizar su trabajo de manera más efectiva; y permite a los fabricantes de dispositivos médicos diseñar productos mejores más rápidamente. ¡Incluso se está investigando la impresión de tejidos y órganos vivos en 3D!

Ventajas de la impresión 3D para fines médicos

¿Por qué es tan útil la impresión 3D en el campo médico? La impresión 3D se alinea bien con las capacidades de la medicina moderna en muchos aspectos.

Es necesario diseñar implantes, prótesis, dispositivos, modelos anatómicos e incluso herramientas según las necesidades específicas de cada paciente. El proceso de personalización es lento y costoso con la tecnología tradicional. Como alternativa, la impresión 3D puede producir pequeñas series de piezas personalizadas sin costo adicional y sin tiempo de preparación o configuración. Los cuerpos humanos están entre los más personalizados de todos los productos, y la fabricación aditiva sobresale en estas aplicaciones.

Es común que los dispositivos médicos tengan diseños complejos, geometrías internas o formas orgánicas. Considera, por ejemplo, los espirales y espacios huecos en un audífono o un corazón. Tradicionalmente, estas formas serían difíciles o imposibles de fabricar.

Con la impresión 3D, las geometrías de una sola pieza pueden producirse fácilmente en plástico o metal con alta precisión. Esto puede llevar a diseños mejorados así como a una reducción de costos y tiempos de producción. Además de facilitar una esterilización más sencilla, eliminar las hendiduras y los espacios entre varias piezas hace que los dispositivos sean más difíciles de contaminar con bacterias.

Los materiales de un dispositivo son tan importantes como su diseño cuando se trata de dispositivos médicos. La impresión de materiales 3D ofrece propiedades mecánicas, químicas y térmicas que los hacen perfectos para su uso en materiales biocompatibles y esterilizables. Puedes imprimir componentes en 3D que sean rígidos o flexibles, y lisos o texturizados. Casi cualquier aplicación puede beneficiarse de los materiales impresos en 3D.

En comparación con otras tecnologías, la impresión 3D también ofrece velocidades de producción inigualables. El tratamiento de los pacientes no es diferente. Debido a los extensos tiempos de espera para la fabricación tradicional, los pacientes a menudo tienen que esperar meses para comenzar su programa de tratamiento o acudir a múltiples médicos y someterse a múltiples procedimientos invasivos para usar y reutilizar sus dispositivos médicos. El paciente se ve inconvenientado y puede experimentar malestar adicional en el mejor de los casos. La condición del paciente puede empeorar o incluso ser fatal si hay retrasos en el tratamiento.

Como beneficio final, las impresoras 3D han hecho posible que los profesionales médicos eliminen los yesos tradicionales utilizando escáneres 3D y radiografías para crear modelos 3D rápidamente, eliminando la necesidad de almacenar innumerables yesos físicos. Además de ahorrar espacio, esto también reduce el potencial de daño por manejo inadecuado o envejecimiento. Un modelo 3D es un modelo preciso y permanente que puede accederse en cualquier lugar, ahorrando tiempo y dinero para los profesionales médicos.

Uso de la impresión 3D en el campo médico

Prótesis impresas en 3D

La medicina protésica requiere una personalización intensa, lo que hace que la fabricación de prótesis sea un proceso lento y costoso. Dado que estos dispositivos y sus encajes están sujetos a un uso riguroso, un ajuste perfecto es crucial para crear una prótesis fiable, cómoda y funcional para el paciente. Todas estas razones y más han contribuido a la revolución en el campo de las prótesis impresas en 3D.

En general, se necesitan múltiples moldes y citas de seguimiento para afinar el ajuste de la prótesis. Los pacientes que pueden ser sensibles a su condición a menudo sienten que esto es más que una simple inconveniencia: hacer un molde puede ser incómodo y las múltiples pruebas pueden ser invasivas. Sin mencionar que el tiempo dedicado al ajuste y reajuste representa el tiempo sin una prótesis adecuadamente ajustada.

Al utilizar la impresión 3D, los pacientes ya no tienen que usar un molde físico. Como alternativa, los técnicos pueden usar escáneres 3D para crear rápidamente un modelo 3D del miembro residual. Basado en este escaneo 3D, se puede fabricar un encaje impreso en 3D que sea preciso y asequible, lo que típicamente solo requiere una única prueba para completar.

Dispositivos e implantes personalizados para cada paciente

La personalización no se limita al campo de la medicina protésica. Dispositivos (como audífonos) e implantes (como articulaciones artificiales, placas craneales e incluso válvulas cardíacas) están recurriendo cada vez más a la impresión 3D por su flexibilidad y rapidez.

La forma tradicional de ajustar audífonos y válvulas cardíacas ha sido con ajustes extensivos y a mano durante una semana o más. Desde el moldeado hasta el ajuste, un audífono requería nueve pasos antes de la impresión 3D. Ahora, los audífonos se pueden escanear e imprimir en un solo día con escáneres 3D.

También hay ventajas de diseño: las válvulas cardíacas de silicona impresas en 3D proporcionan un ajuste exacto que las válvulas cardíacas rígidas, fabricadas tradicionalmente, simplemente no pueden. Los implantes como las articulaciones artificiales de titanio o las placas craneales se pueden imprimir con superficies porosas complejas que tienen menos probabilidades de ser rechazadas por los cuerpos de los pacientes.

Ortodoncia y odontología

Los dispositivos ortodónticos y los implantes dentales requieren una personalización extensa con alta precisión. Las dentaduras, coronas, implantes y retenedores deben ser duraderos, precisos y cómodos porque nuestros dientes soportan un uso intenso día tras día. Además, deben estar hechos de materiales biocompatibles como el cobalto-cromo y la porcelana.

Utilizando la impresión 3D, los profesionales dentales y ortodónticos pueden lograr todo esto más rápido y a un costo menor que con métodos tradicionales como el mecanizado. Los dispositivos dentales pueden producirse de manera rápida y fácil utilizando escaneos 3D y radiografías en lugar de moldes o configuraciones.

En el caso de dispositivos como los brackets o expansores que no requieren componentes impresos en 3D, se pueden utilizar modelos impresos en 3D hechos de plásticos esterilizables para medir la forma y el ajuste, eliminando la necesidad de ajustes o visitas repetidas por parte del paciente.

Desarrollo de dispositivos médicos

La investigación, el desarrollo y la certificación de dispositivos médicos son extremadamente laboriosos y costosos en términos de recursos. A menudo, el alto precio de los dispositivos médicos no se debe a los costos de fabricación, sino al desarrollo costoso del producto. Dado que la impresión 3D ofrece una variedad de materiales biocompatibles y esterilizables, permite a los desarrolladores de dispositivos médicos producir y probar prototipos funcionales en una fracción del tiempo, lo que resulta en mejores productos y menores costos.

Las ventajas de la fabricación aditiva para el desarrollo de productos incluyen su tiempo de respuesta rápido, facilidad de modificaciones y bajo costo para volúmenes muy pequeños de piezas. Esto puede ahorrar a las empresas cientos de miles de dólares y meses de tiempo en el desarrollo de productos. Los dispositivos médicos deben someterse a un proceso de certificación riguroso y prolongado, por lo que estos ahorros de tiempo y costo son especialmente valiosos.

Instrumentos quirúrgicos personalizados

La precisión y la eficiencia son fundamentales en el quirófano. Los desafíos únicos de cada procedimiento no pueden ser exagerados; el cuerpo de cada paciente es diferente, al igual que las manos de cada cirujano. Si el control fino es esencial, ¿por qué los cirujanos deberían estar restringidos a herramientas de talla única?

Al utilizar la impresión 3D, se pueden producir herramientas quirúrgicas personalizadas de manera rápida y asequible, adaptadas a las necesidades particulares de cada cirujano y cada procedimiento. Estas herramientas están hechas de plásticos y metales esterilizables y biocompatibles. Se pueden fabricar tan rápidamente que los hospitales no necesitan mantener un gran stock de instrumentos, sino que pueden pedirlos según sea necesario.

Los instrumentos personalizados para el tamaño y la forma de las manos de cada cirujano, junto con características adaptadas a cada aplicación, pueden mejorar significativamente los resultados y la eficiencia. Además, las guías quirúrgicas hechas específicamente para cada paciente pueden aumentar la precisión mientras se reduce el tiempo pasado en el quirófano al eliminar la necesidad de consultar diagramas y asistentes.

Modelos anatómicos personalizados

Los modelos anatómicos son costosos, e incluso los mejores ofrecen una gama limitada de opciones. Profesionales y estudiantes utilizan regularmente modelos para educación, formación, preparación quirúrgica y para proporcionar ayudas visuales a los pacientes.

La impresión 3D puede ayudar a los profesionales médicos y educadores a crear modelos anatómicos personalizados y asequibles. Los cirujanos pueden practicar cirugías difíciles utilizando modelos específicos del paciente que reproducen exactamente lo que encontrarán durante la cirugía.

Bioimpresión

¿No sería interesante si las impresoras 3D usaran células y materia orgánica en lugar de plástico y metal? Ese es el concepto básico de la bioimpresión: la vanguardia de la impresión 3D en la industria médica.

Aunque la mayoría de las tecnologías y aplicaciones de bioimpresión aún están en sus primeras etapas, los investigadores han logrado imprimir huesos, piel y cartílago. Un día, incluso podríamos ser capaces de imprimir órganos funcionales en 3D.

La bioimpresión funciona de manera similar a otras técnicas de impresión 3D: el material se deposita o solidifica en capas sucesivas para crear objetos 3D. En la bioimpresión, sin embargo, las células se cultivan a partir de muestras de tejido o células madre. Un gel adhesivo o un andamio de colágeno mantiene unidas las células.

Las partes del cuerpo y órganos bioimpresos permitirían que el propio tejido del paciente crezca sobre las partes impresas en 3D y eventualmente reemplace las células con las propias. Aunque es poco probable que veamos órganos bioimpresos funcionales en el corto plazo, la tecnología ya está ayudando a los investigadores a llevar a cabo investigaciones sobre tejidos vivos sin tener que extraerlos de un organismo vivo.

Materiales médicos impresos en 3D

No todos los materiales son iguales cuando se trata de productos médicos. Dado que los microorganismos pueden causar infecciones que amenazan la vida, los dispositivos médicos y los implantes deben ser esterilizables. Un producto que esté en contacto con tejidos también debe ser biocompatible, lo que significa que no producirá reacciones nocivas si se coloca en un sistema biológico. En particular, los implantes deben estar hechos de materiales que sean aceptados por el cuerpo del receptor. Los fluidos de nuestros cuerpos son sorprendentemente corrosivos con el tiempo, por lo que la resistencia a la corrosión es igualmente importante. Para soportar un uso prolongado, los implantes deben ser fuertes, duraderos y ligeros.

Las impresoras 3D modernas son compatibles con una gama de plásticos y metales que cumplen con estos requisitos. A continuación, hemos detallado algunos de los materiales impresos en 3D más comúnmente utilizados para la industria médica.

Nylon PA-12

Los plásticos como este son ligeros, resistentes a la corrosión, duraderos y pueden ser esterilizados con autoclaves de vapor. El nylon PA-12 es flexible y resistente a productos químicos. Además, está entre los materiales médicos más rápidos y asequibles de imprimir, y es compatible con la impresión Multi Jet Fusion y SLS. El nylon PA-12 está certificado como USP Clase I-VI e ISO 10993.

PC-ISO

La impresión 3D FDM utiliza PC-ISO, un termoplástico de policarbonato (PC) biocompatible. El material tiene un acabado de menor calidad que el Nylon PA-12, pero se utiliza comúnmente para guías quirúrgicas, prototipos y moldes. El PC-ISO puede ser esterilizado por gamma o EtO y está certificado como USP Clase I-VI e ISO 10993.

ABS M30i

ABS M30i es otro termoplástico de ingeniería biocompatible para FDM, al igual que el PC-ISO. Los prototipos funcionales, las pruebas de ajuste de forma y las piezas de uso final son perfectas para la impresión FDM. El ABS M30i puede ser esterilizado por gamma o EtO, y está certificado como USP Clase I-VI e ISO 10993.

Titanio

El material más popular para implantes médicos es el titanio, el rey de los metales biocompatibles. Todos los tipos de articulaciones de reemplazo, marcapasos, placas craneales, implantes dentales y más están hechos de titanio. El titanio es un metal fuerte, ligero, resistente a la corrosión y no reactivo. DMLS, una de las tecnologías de impresión 3D más costosas, se puede utilizar para imprimirlo.

Cobalto-Cromo

El cobalto-cromo también exhibe una excelente resistencia a la corrosión y biocompatibilidad, al igual que el titanio. Posee una mayor resistencia y dureza que el titanio y se utiliza comúnmente para dientes de reemplazo, así como para articulaciones de uso intensivo como caderas, rodillas y hombros. DMLS también se utiliza para imprimir en 3D cobalto-cromo.

Acero Inoxidable

El acero es fuerte, esterilizable y biocompatible; sin embargo, no ofrece la misma resistencia a la corrosión a largo plazo que el titanio o el cobalto-cromo. Por lo tanto, el acero inoxidable se utiliza con más frecuencia en herramientas quirúrgicas e implantes temporales como tornillos óseos. La impresión directa de materiales permite imprimir piezas de acero inoxidable a un costo mucho menor que otros metales. La resistencia, rigidez y resistencia química de los diferentes tipos de acero inoxidable varían.

Silicona

Los materiales de goma como la silicona tienen una amplia gama de aplicaciones en las industrias médica y alimentaria. Para la biocompatibilidad, puede ser certificada como Clase V o Clase IV. La silicona puede utilizarse tanto para implantes a corto como a largo plazo. La silicona se encuentra comúnmente en catéteres, mascarillas respiratorias, tubos médicos y sellos.

Aunque las impresoras 3D de silicona aún están en sus primeras etapas, el moldeo de silicona con moldes impresos en 3D es una forma rápida y asequible de producir piezas y productos de alta calidad.

El futuro de la impresión 3D en la medicina

Debido a las necesidades únicas de cada paciente y cuerpo, los dispositivos médicos a menudo requieren la mayor personalización de cualquier producto en cualquier industria. Debido a los altos costos y largos tiempos de espera de las herramientas para la fabricación tradicional, estos dispositivos históricamente han sido costosos y lentos de producir. Con su capacidad para producir pequeñas series de piezas altamente personalizadas, la impresión 3D está redefiniendo lo que es posible en medicina.

Adaptar las soluciones médicas a los pacientes y médicos mejora los resultados y reduce los costos y tiempos de producción, lo que aumenta la accesibilidad. Los dispositivos médicos personalizados, implantes y herramientas ahora están más accesibles que nunca. A medida que las tecnologías de impresión 3D continúan avanzando, los proveedores de atención médica y los investigadores seguirán explorando nuevas aplicaciones, desde implantes y herramientas quirúrgicas hasta tejidos y órganos funcionales.