L’un des domaines les plus prometteurs pour les applications de l’impression 3D est l’industrie médicale, qui nécessite des composants en plastique et en métal personnalisables, biocompatibles et stérilisables. Bien que la fabrication additive puisse sembler de la science-fiction, un nombre croissant d’applications médicales sont développées chaque année grâce à cette technologie.

Grâce à l’impression 3D, les patients peuvent obtenir des implants, des prothèses et des dispositifs personnalisés, efficaces et abordables ; cela donne aux médecins de nouveaux outils pour exercer leur métier plus efficacement ; et cela permet aux fabricants de dispositifs médicaux de concevoir de meilleurs produits plus rapidement. Des recherches sont même en cours pour imprimer des tissus vivants et des organes en 3D !

L’impression 3D à des fins médicales présente de nombreux avantages

Pourquoi l’impression 3D est-elle si utile dans le domaine médical ? L’impression 3D s’aligne bien avec les capacités de la médecine moderne de nombreuses façons.

Il est nécessaire de concevoir des implants, des prothèses, des dispositifs, des modèles anatomiques et même des outils en fonction des besoins spécifiques de chaque patient. Le processus de personnalisation est long et coûteux avec la technologie traditionnelle. En revanche, l’impression 3D peut produire de petites séries de pièces personnalisées sans coût supplémentaire et sans temps de préparation ou d’outillage. Les corps humains sont parmi les produits les plus personnalisés qui existent, et la fabrication additive excelle dans ces applications.

Il est courant que les dispositifs médicaux aient des conceptions complexes, des géométries internes ou des formes organiques. Considérez, par exemple, les spirales et les espaces creux d’un appareil auditif ou d’un cœur ! Traditionnellement, ces formes seraient difficiles ou impossibles à réaliser.

Avec l’impression 3D, les géométries d’une seule pièce peuvent être produites facilement en plastique ou en métal avec une grande précision. Cela peut mener à des conceptions améliorées ainsi qu’à une réduction des coûts et des délais de production. En plus de faciliter la stérilisation, l’élimination des crevasses et des espaces entre plusieurs pièces rend les dispositifs plus difficiles à coloniser par les bactéries.

Les matériaux d’un dispositif sont aussi importants que son design en ce qui concerne les dispositifs médicaux. L’impression de matériaux en 3D offre des propriétés mécaniques, chimiques et thermiques qui les rendent parfaits pour une utilisation en tant que matériau biocompatible et stérilisable. Vous pouvez imprimer des composants en 3D qui sont rigides ou flexibles et lisses ou texturés. Presque toutes les applications peuvent bénéficier des matériaux imprimés en 3D.

Comparé à d’autres technologies, l’impression 3D offre également des vitesses de production inégalées. Le traitement des patients n’est pas différent. En raison des longs délais de fabrication traditionnelle, les patients doivent souvent attendre des mois pour commencer leur programme de traitement ou consulter plusieurs médecins et subir plusieurs procédures invasives pour utiliser et réutiliser leurs dispositifs médicaux. Le patient est dérangé et peut ressentir un inconfort supplémentaire dans le meilleur des cas. L’état du patient peut s’aggraver voire être fatal en cas de retard dans le traitement.

Enfin, les imprimantes 3D ont permis aux professionnels de la santé d’éliminer les plâtres en utilisant la numérisation 3D et les rayons X pour créer rapidement des modèles 3D, éliminant ainsi le besoin de stocker d’innombrables plâtres physiques. En plus d’économiser de l’espace, cela réduit également le risque de dommages dus à une mauvaise manipulation ou au vieillissement. Un modèle 3D est un modèle précis et permanent qui peut être consulté partout, économisant ainsi du temps et de l’argent pour les professionnels de la santé.

Utilisation de l’impression 3D dans le domaine médical

Prothèses imprimées en 3D

La médecine prothétique nécessite une personnalisation intense, ce qui rend la fabrication des prothèses longue et coûteuse. Étant donné que ces dispositifs et leurs emboîtures sont soumis à une utilisation rigoureuse, un ajustement parfait est crucial pour créer une prothèse fiable, confortable et fonctionnelle pour le patient. Toutes ces raisons et bien d’autres ont contribué à la révolution dans le domaine des prothèses imprimées en 3D.

En général, plusieurs moulages et rendez-vous de suivi sont nécessaires pour affiner l’ajustement de la prothèse. Les patients qui peuvent être sensibles à leur condition ressentent souvent que cela va au-delà d’un simple inconvénient : faire un moulage peut être inconfortable, et les nombreux ajustements peuvent être invasifs. Sans parler du temps passé à l’ajustement et au réajustement, représentant le temps sans une prothèse correctement ajustée.

En utilisant l’impression 3D, les patients n’ont plus à porter un moulage physique. En alternative, les techniciens peuvent utiliser des scanners 3D pour créer rapidement un modèle 3D du membre résiduel. Basé sur ce scan 3D, un emboîture imprimée en 3D peut être fabriquée avec précision et à coût abordable, nécessitant généralement un seul ajustement pour être finalisée.

Dispositifs et implants personnalisés pour chaque patient

La personnalisation n’est pas limitée au domaine de la médecine prothétique. Les dispositifs (comme les appareils auditifs) et les implants (tels que les articulations artificielles, les plaques crâniennes et même les valves cardiaques) se tournent de plus en plus vers l’impression 3D pour sa flexibilité et sa rapidité.

La méthode traditionnelle d’ajustement des appareils auditifs et des valves cardiaques a impliqué des ajustements faits main, étendus sur une semaine ou plus. De la réalisation du moulage à l’ajustement, un appareil auditif nécessitait neuf étapes avant l’impression 3D. Les appareils auditifs peuvent désormais être scannés et imprimés en un seul jour grâce à la numérisation 3D.

Il y a également des avantages en termes de conception : les valves cardiaques en silicone imprimées en 3D offrent un ajustement exact que les valves cardiaques rigides fabriquées traditionnellement ne peuvent tout simplement pas fournir. Les implants tels que les articulations artificielles en titane ou les plaques crâniennes peuvent être imprimés avec des surfaces complexes et poreuses qui sont moins susceptibles d’être rejetées par les corps des patients.

Orthodontie et dentisterie

Les dispositifs orthodontiques et les implants dentaires nécessitent une personnalisation étendue avec une grande précision. Les prothèses dentaires, couronnes, implants et appareils de rétention doivent être durables, précis et confortables car nos dents sont soumises à une utilisation intensive jour après jour. De plus, ils doivent être fabriqués à partir de matériaux biocompatibles tels que le chrome cobalt et la porcelaine.

Grâce à l’impression 3D, les professionnels dentaires et orthodontiques peuvent accomplir tout cela plus rapidement et à moindre coût que les méthodes traditionnelles telles que l’usinage. Les dispositifs dentaires peuvent être produits rapidement et facilement à l’aide de scans 3D et de rayons X plutôt que de moulages ou de configurations.

Dans le cas des dispositifs tels que les appareils dentaires ou les élargisseurs qui ne nécessitent pas de composants imprimés en 3D, des modèles imprimés en 3D réalisés à partir de plastiques stérilisables peuvent être utilisés pour mesurer la forme et l’ajustement, éliminant ainsi le besoin d’ajustements chez le patient ou de visites répétées.

Développement des dispositifs médicaux

La recherche, le développement et la certification des dispositifs médicaux sont extrêmement chronophages et gourmands en ressources. Souvent, le prix élevé des dispositifs médicaux n’est pas dû aux coûts de fabrication, mais au développement coûteux du produit. Étant donné que l’impression 3D offre une variété de matériaux biocompatibles et stérilisables, elle permet aux développeurs de dispositifs médicaux de produire et de tester des prototypes fonctionnels en une fraction du temps, ce qui se traduit par de meilleurs produits et des coûts réduits.

Les avantages de la fabrication additive pour le développement de produits incluent son délai de traitement rapide, sa facilité d’altération et son faible coût pour des volumes de pièces très réduits. Cela peut faire économiser aux entreprises des centaines de milliers de dollars et des mois de temps dans le développement de produits. Les dispositifs médicaux doivent subir un processus de certification rigoureux et long, donc ces économies de temps et de coûts sont particulièrement précieuses.

Instruments chirurgicaux personnalisés

La précision et l’efficacité sont cruciales dans la salle d’opération. Les défis uniques de chaque procédure ne peuvent être exagérés : le corps de chaque patient est différent, tout comme les mains de chaque chirurgien. Si un contrôle fin est essentiel, pourquoi les chirurgiens devraient-ils être limités à des outils universels ?

En utilisant l’impression 3D, des outils chirurgicaux personnalisés peuvent être produits rapidement et de manière abordable, adaptés aux besoins particuliers de chaque chirurgien et chaque procédure. Ces outils sont fabriqués en plastiques et métaux stérilisables et biocompatibles. Ces outils peuvent être fabriqués si rapidement que les hôpitaux n’ont pas besoin de maintenir un grand stock d’instruments, mais peuvent plutôt les commander au fur et à mesure des besoins.

Des instruments personnalisés à la taille et à la forme des mains de chaque chirurgien, ainsi que des caractéristiques sur mesure pour chaque application, peuvent grandement améliorer les résultats et l’efficacité. De plus, des guides chirurgicaux réalisés spécifiquement pour chaque patient peuvent augmenter la précision tout en réduisant le temps passé en salle d’opération en éliminant la nécessité de consulter des diagrammes et des assistants.

Modèles anatomiques personnalisés

Les modèles anatomiques sont coûteux, et même les meilleurs offrent une gamme limitée d’options. Les professionnels et les étudiants utilisent régulièrement des modèles pour l’éducation, la formation, la préparation des chirurgies et pour fournir des aides visuelles aux patients.

L’impression 3D peut aider les professionnels de la santé et les éducateurs à créer des modèles anatomiques personnalisés abordables. Les chirurgiens peuvent s’exercer à des interventions difficiles en utilisant des modèles spécifiques au patient qui reproduisent exactement ce qu’ils rencontreront lors de l’opération.

Bio-impression

Ne serait-il pas intéressant si les imprimantes 3D utilisaient des cellules et de la matière organique au lieu de plastique et de métal ? C’est le concept de base de la bio-impression, la pointe de la technologie de l’impression 3D dans l’industrie médicale.

Bien que la plupart des technologies et applications de bio-impression soient encore à leurs débuts, les chercheurs ont réussi à imprimer des os, de la peau et du cartilage. Un jour, nous pourrions même être capables d’imprimer des organes fonctionnels en 3D.

La bio-impression fonctionne de manière similaire aux autres techniques d’impression 3D : le matériau est déposé ou solidifié en couches successives pour créer des objets en 3D. Dans la bio-impression, cependant, les cellules sont cultivées à partir d’échantillons de tissus ou de cellules souches. Un gel liant ou une structure en collagène maintient les cellules ensemble.

Les parties du corps et les organes bio-imprimés permettraient aux tissus du patient de croître sur les pièces imprimées en 3D et de remplacer progressivement les cellules par les leurs. Bien que nous soyons peu susceptibles de voir des organes bio-imprimés fonctionnels de sitôt, la technologie aide déjà les chercheurs à mener des recherches sur les tissus vivants sans avoir à les prélever sur un organisme vivant.

Matériaux médicaux imprimés en 3D

Tous les matériaux ne se valent pas lorsqu’il s’agit de produits médicaux. Étant donné que les micro-organismes peuvent provoquer des infections menaçantes pour la vie, les dispositifs médicaux et les implants doivent être stérilisables. Un produit qui sera en contact avec les tissus doit également être biocompatible, ce qui signifie qu’il ne produira pas de réactions nocives s’il est placé dans un système biologique. En particulier, les implants doivent être fabriqués à partir de matériaux susceptibles d’être acceptés par les corps des receveurs. Les fluides corporels sont étonnamment corrosifs avec le temps, c’est pourquoi la résistance à la corrosion est tout aussi importante. Pour résister à une utilisation intensive à long terme, les implants doivent être solides, durables et légers.

Les imprimantes 3D modernes sont compatibles avec une gamme de plastiques et de métaux qui répondent à ces exigences. Nous avons décrit ci-dessous quelques-uns des matériaux imprimés en 3D les plus couramment utilisés dans l’industrie médicale.

Nylon PA-12

Les plastiques comme celui-ci sont légers, résistants à la corrosion, durables et peuvent être stérilisés avec des autoclaves à vapeur. Le nylon PA-12 est flexible et résistant chimiquement. De plus, il est parmi les matériaux médicaux les plus rapides et les plus abordables à imprimer, et il est compatible avec l’impression Multi Jet Fusion et SLS. Le nylon PA-12 est certifié USP Classe I-VI et ISO 10993.

PC-ISO

L’impression 3D FDM utilise le PC-ISO, un polycarbonate (PC) biocompatible, un thermoplastique d’ingénierie. Le matériau a une finition de qualité inférieure à celle du Nylon PA-12, mais il est couramment utilisé pour les guides chirurgicaux, les prototypes et les moules. Le PC-ISO peut être stérilisé par rayonnement gamma ou par EtO et est certifié USP Classe I-VI et ISO 10993.

ABS M30i

L’ABS M30i est un autre thermoplastique d’ingénierie biocompatible pour le FDM, tout comme le PC-ISO. Les prototypes fonctionnels, les tests de forme et les pièces d’utilisation finale sont parfaits pour l’impression FDM. L’ABS M30i peut être stérilisé par rayonnement gamma ou par EtO, et il est certifié USP Classe I-VI et ISO 10993.

Titane

Le matériau le plus populaire pour les implants médicaux est le titane, le roi des métaux biocompatibles. Tous les types d’articulations de remplacement, les pacemakers, les plaques crâniennes, les implants dentaires, etc. sont fabriqués en titane. Le titane est un métal fort, léger, résistant à la corrosion et non réactif. Le DMLS, l’une des technologies d’impression 3D les plus coûteuses, peut être utilisé pour l’imprimer.

Chrome Cobalt

Le chrome cobalt présente également une excellente résistance à la corrosion et une biocompatibilité, tout comme le titane. Il possède une résistance et une dureté supplémentaires par rapport au titane et est couramment utilisé pour les dents de remplacement ainsi que pour les articulations à usage intensif telles que les hanches, les genoux et les épaules. Le DMLS est également utilisé pour imprimer en 3D du chrome cobalt.

Acier inoxydable

L’acier est solide, stérilisable et biocompatible ; cependant, il ne présente pas la même résistance à la corrosion à long terme que le titane ou le chrome cobalt. Par conséquent, l’acier inoxydable est plus souvent utilisé dans les outils chirurgicaux et les implants temporaires tels que les vis osseuses. L’impression directe de matériaux permet d’imprimer en 3D des pièces en acier inoxydable à un coût bien inférieur à celui d’autres métaux. La résistance, la rigidité et la résistance chimique des différents types d’acier inoxydable varient.

Silicone

Les matériaux en caoutchouc tels que le silicone ont une large gamme d’applications dans les industries médicales et alimentaires. Pour la biocompatibilité, il peut être certifié comme Classe V ou Classe IV. Le silicone peut être utilisé pour des implants à court ou à long terme. Le silicone se trouve couramment dans les cathéters, les masques respiratoires, les tubes médicaux et les joints.

Bien que les imprimantes 3D pour silicone soient encore à leurs débuts, le moulage en silicone avec des moules imprimés en 3D est un moyen rapide et abordable de produire des pièces et des produits de haute qualité.

L’avenir de l’impression 3D en médecine

En raison des besoins uniques de chaque patient et de chaque corps, les dispositifs médicaux nécessitent souvent la plus grande personnalisation de tous les produits dans n’importe quel secteur. En raison des coûts élevés et des longs délais de mise en place des outils pour la fabrication traditionnelle, ces dispositifs ont historiquement été coûteux et lents à produire. Avec sa capacité à produire de petites séries de pièces hautement personnalisées, l’impression 3D redéfinit ce qui est possible en médecine.

Adapter les solutions médicales aux patients et aux médecins améliore les résultats et réduit les coûts et les délais de production, ce qui augmente l’accessibilité. Les dispositifs médicaux, implants et outils personnalisés sont désormais plus accessibles que jamais. À mesure que les technologies d’impression 3D continuent de progresser, les prestataires de soins de santé et les chercheurs continueront à explorer de nouvelles applications allant des implants et des outils chirurgicaux aux tissus et organes fonctionnels.