Impression 3D médicale

Les imprimantes 3D aident le secteur médical de trois manières principales :

• Amélioration des résultats pour les patients
• Économies de temps et d'argent
• Accélération du cycle de recherche et de développement

La liberté de produire des objets spécifiques aux patients est à l'opposé des méthodes traditionnelles qui reposent sur des implants, des outils et des prothèses (membres artificiels) standardisés et produits en masse.

La fabrication de produits uniques sur commande n'est pas un concept nouveau, mais son coût est généralement prohibitif et le délai d'exécution (la période entre la commande et la livraison) est long.

Avec l'impression 3D, cependant, le coût de production d'un objet est le même que celui de milliers d'objets, quel que soit le degré d'unicité ou de complexité de l'article. La production peut également avoir lieu plus près de l'endroit où se trouve la demande plutôt que dans une usine située sur un autre continent. Cela réduit considérablement les délais et permet un processus de fabrication plus agile et itératif.  

L'impression 3D médicale réduit également les délais de recherche et de développement en diminuant le temps entre les améliorations de conception, ce qui permet de réaliser davantage de tests dans un laps de temps identique ou plus court et de mettre en évidence les problèmes potentiels plus tôt dans le processus.

Pendant la pandémie de Covid-19, le monde a été confronté à des pénuries critiques de biens médicaux essentiels en raison de l'explosion de la demande et des perturbations de la fabrication et du transport. Les articles les plus nécessaires étaient ceux dont l'approvisionnement était le plus limité, à savoir les équipements de protection individuelle (EPI) et les ventilateurs.

La flexibilité et la rapidité de l'impression 3D ont permis à cette technologie de s'imposer pendant cette période, de nombreuses organisations mettant les imprimantes au service de la production d'articles indispensables.

La société britannique Photocentric en est un exemple. L'entreprise a utilisé sa technologie brevetée d'impression 3D médicale pour livrer rapidement des millions de masques de protection pour les travailleurs de première ligne. Son entrepôt de Peterborough a été transformé en une usine rationalisée, construite à cet effet, où une flotte de 45 imprimantes grand format a fabriqué plus de 50 000 composants par jour.

Selon un porte-parole de Photocentric, ce succès montre que l'impression 3D médicale n'est plus réservée au prototypage lent et coûteux, mais qu'elle peut produire la quantité nécessaire, au moment voulu, là où il le faut et à un prix compétitif.

L'impression 3D médicale couvre de nombreuses disciplines et répond à un large éventail de besoins. Les quatre plus courantes sont :   

• PROSTHÈSES

Une prothèse mal adaptée peut affecter considérablement la santé et la vie quotidienne d'un patient, en provoquant des douleurs, des plaies et des ampoules, ainsi qu'un risque accru de chute ou d'autre accident. Des consultations supplémentaires, voire des interventions chirurgicales pour améliorer l'ajustement, coûtent au patient et au prestataire de soins du temps et de l'argent supplémentaires.

La combinaison de scanners numériques haute définition et d'imprimantes 3D permet de créer une prothèse confortable et abordable qui correspond parfaitement à l'anatomie ou à la blessure unique du patient.

Les mesures manuelles et la fabrication de moules ne sont plus nécessaires, ce qui augmente la précision et l'efficacité du processus. Cela permet de concevoir et de livrer beaucoup plus rapidement des solutions personnalisées, qu'il s'agisse de dispositifs simples ou de créations complexes et multi-articulées.

L'impression 3D médicale est principalement utilisée pour produire les parties de la prothèse qui entrent en contact direct ou interagissent avec le corps du patient. Les techniques et matériaux de fabrication traditionnels sont généralement utilisés pour produire les autres composants et les structures de soutien.

• IMPLANTS (ORTHOPÉDIQUES, ORTHODONTIQUES ET DENTAIRES)

Comme les prothèses, un implant mal ajusté peut avoir un impact négatif sur le bien-être du patient. L'impression 3D médicale permet aux chirurgiens de créer des implants personnalisés qui sont utilisés pour remplacer ou renforcer les os et les articulations.

La possibilité de créer des structures complexes à l'aide d'une imprimante 3D a amélioré la conception des implants orthopédiques, par exemple en fournissant de meilleures surfaces de fixation osseuse et des matériaux plus durables.

Certaines études ont montré que les structures et les maillages imprimés en 3D, selon le matériau d'impression utilisé, peuvent durer plus longtemps, être plus performants et offrir une plus grande fonctionnalité que les implants traditionnels en titane et en céramique de zircone.

Les implants dentaires, tels que les fausses dents, les capuchons et les réparations osseuses, constituent depuis longtemps un élément essentiel de la dentisterie. Comme pour d'autres applications, l'impression 3D médicale permet aux dentistes de personnaliser et de produire des implants avec une vitesse, une précision et une efficacité accrues et un ajustement supérieur.

La technologie permet également un meilleur contrôle de la structure de l'implant, et les dentistes peuvent choisir parmi des matériaux résistants tels que les céramiques, les polymères et les composites.

• MODÈLES ANATOMIQUES

Les chirurgiens utilisent des techniques de numérisation et d'imagerie en 3D pour planifier de manière approfondie les procédures chirurgicales avant de les réaliser. Les ultrasons, l'imagerie par résonance magnétique (IRM) et les tomodensitomètres (CT) fournissent couramment des images internes très détaillées. Cependant, ces images sont généralement visualisées sur un écran 2D, ce qui limite la visibilité et la compréhension des structures anatomiques environnantes.  

Les imprimantes 3D utilisent ces fichiers numériques pour construire des modèles ultra-réalistes et précis à l'échelle 1:1 d'un organe ou d'une partie du corps. Ces modèles permettent aux médecins de mieux planifier et répéter les actions à l'avance. Cela est particulièrement utile pour les procédures plus complexes ou celles que l'équipe chirurgicale n'a pas l'habitude de pratiquer.

La pratique des procédures rend les interventions chirurgicales plus sûres, plus rapides, plus précises et plus personnalisées, ce qui se traduit par de meilleurs résultats pour les patients. En outre, ces modèles peuvent être montrés lors des consultations préopératoires pour mieux expliquer aux patients leur situation médicale et le traitement.  

Les modèles permettent également aux étudiants en médecine et aux jeunes médecins de recevoir une formation plus complète. Le fait de pouvoir tenir, inspecter et manipuler des modèles de tumeurs, de fractures, d'anomalies et d'autres blessures du monde réel permet de mieux les comprendre et donc de les traiter.

• INSTRUMENTS CHIRURGICAUX

Les guides de coupe et de forage aident les chirurgiens à placer des implants avec plus de précision, d'efficacité et de sécurité. En conséquence, les procédures sont plus rapides, moins invasives et nécessitent un temps de réhabilitation plus court pour le patient.

L'impression 3D médicale remplace rapidement les méthodes conventionnelles de production de ces guides, car elle est plus rapide, plus facile, peut être réalisée sur place et, surtout, peut être adaptée à la morphologie exacte du patient.

Les instruments chirurgicaux ou médicaux qui ont été imprimés en 3D comprennent une large gamme de forceps, d'écarteurs, de pinces et de manches d'outils. Le principal avantage d'un instrument imprimé en 3D est la facilité avec laquelle il peut être adapté aux besoins spécifiques d'un chirurgien, contrairement aux guides imprimés en 3D dont le principal avantage est la facilité avec laquelle ils peuvent être adaptés à un patient individuel.

Dans certains cas, un médecin peut fournir un retour d'information sur un instrument imprimé en 3D et avoir une version révisée entre les mains le jour même.

Bradley est né avec une tumeur au cœur et a subi plusieurs opérations à cœur ouvert, notamment l'installation d'un défibrillateur pour le protéger d'une mort cardiaque soudaine. À 16 ans, il est retourné à l'hôpital pour subir une nouvelle intervention destinée à mettre fin aux interférences électriques causées par la grosse tumeur.

À la recherche d'informations supplémentaires sur la meilleure façon de traiter sa tumeur, l'équipe médicale a contacté le fournisseur de services d'impression 3D Materialise pour créer une réplique imprimée en 3D du cœur de Bradley à partir des données de son scanner.

Le modèle a permis aux médecins de mieux comprendre la relation complexe entre la tumeur (imprimée dans un matériau dur et opaque) et les structures anatomiques environnantes (imprimées dans un matériau souple et transparent).

Grâce à ce modèle, l'équipe a pu procéder à l'opération en toute confiance et Bradley et sa famille ont pu mieux comprendre son anatomie unique.

La recherche constante signifie que de nouvelles applications pour l'impression 3D médicale sont toujours en train d'émerger. Les domaines qui devraient connaître une croissance importante au cours des cinq à dix prochaines années sont les suivants :

• LA MÉDECINE PERSONNALISÉE

Les médicaments imprimés en 3D accélèrent l'abandon par l'industrie pharmaceutique de la méthode traditionnelle de production en gros volumes et à taille unique au profit d'un modèle plus personnalisé et plus précis.

Le principal avantage de l'utilisation d'imprimantes 3D pour produire des médicaments est la possibilité de fabriquer de petits lots de n'importe quelle forme et de n'importe quelle taille avec des dosages définis pour chaque patient. L'impression de médicaments à la demande réduit considérablement les déchets, les coûts et le temps, en particulier dans le cadre du développement de nouveaux médicaments.

Pfizer estime que la mise sur le marché d'un nouveau médicament prend en moyenne 12 ans et coûte plus d'un milliard de dollars. En outre, pour 10 à 20 médicaments identifiés en laboratoire, un seul parviendra aux patients. Les autres échoueront en cours de route pour un certain nombre de raisons.

L'impression 3D médicale rend les essais cliniques de médicaments plus rapides et plus abordables, car les lots d'essai peuvent être fabriqués en petites quantités plutôt qu'en masse. À terme, nous pourrions voir des imprimantes 3D installées dans les pharmacies, les hôpitaux et les cliniques, notamment dans les zones reculées, pour produire des médicaments personnalisés en fonction des besoins. 

• DISPOSITIFS MÉDICAUX

Selon le spécialiste de l'impression 3D Formlabs, plus de 90 % des 50 premières entreprises de dispositifs médicaux utilisent l'impression 3D pour créer des prototypes rapides et peu coûteux de dispositifs médicaux, ainsi que des gabarits et des montages pour simplifier les essais.

Au-delà du prototypage rapide, l'impression 3D médicale est utilisée pour produire des composants et des boîtiers pour les dispositifs médicaux d'utilisation finale et, dans certains cas, le dispositif lui-même. Cette capacité est apparue au grand jour dans le sillage de Covid-19, lorsque les alternatives imprimées en 3D aux fournitures traditionnelles sont devenues courantes, les écouvillons nasaux n'en étant qu'un exemple.

Parmi les autres dispositifs médicaux imprimés en 3D figurent les inhalateurs, les injecteurs, les porte-aiguilles, les plateaux d'outils chirurgicaux, les attelles et les équipements de test. La technologie améliore également les processus de fabrication traditionnels en produisant des outils sur mesure tels que des modèles, des patrons, des moules et des matrices destinés à être utilisés dans une série de machines de moulage et de coulée.

• BIOPRINTAGE

La bio-impression 3D est similaire à l'impression 3D, sauf qu'elle imprime des couches de cellules vivantes, appelées bio-encres, plutôt que du plastique ou du métal. La bio-encre est utilisée pour créer des tissus artificiels de la peau, des os, des vaisseaux sanguins et potentiellement des organes entiers utilisés pour les transplantations, les greffes, la formation ou la recherche.

La bio-impression n'en est encore qu'à ses débuts en raison de la complexité de la reproduction de matériel vivant, en particulier d'organes tels que le cœur, le foie et les reins. Des progrès sont toutefois réalisés grâce au travail de pionnier d'universités, de chercheurs et d'entreprises privées du monde entier.

Ce qui les motive, c'est la perspective d'éliminer le besoin d'organes donnés et le risque de rejet en imprimant en 3D de nouveaux organes à partir des propres cellules d'un patient.

Les procédures de reconstruction osseuse sont réalisées des millions de fois par an, qu'il s'agisse de défauts osseux congénitaux, de victimes d'accidents ou de patients atteints de cancer. Actuellement, ces patients reçoivent un morceau d'os prélevé ou un implant en titane qui reste dans leur corps pour le reste de leur vie.

La société danoise Ossiform, spécialisée dans les technologies médicales, a mis au point une technologie brevetée révolutionnaire permettant de reconstruire l'anatomie exacte du patient à l'aide d'implants imprimés en 3D, spécifiques au patient et dotés d'une porosité osseuse naturelle. Les implants sont fabriqués à partir de biomatériaux naturels qui se dégradent avec le temps et se transforment en véritable tissu osseux vivant.

Les implants osseux P3D peuvent être conçus pour délivrer des additifs, notamment des antibiotiques et des chimiothérapies, qui peuvent être libérés sur une période contrôlée et prolongée. Ils offrent de nombreux avantages aux patients et ouvrent de nouvelles possibilités pour le traitement des défauts osseux.

La technologie est également utilisée pour produire un produit de R&D imprimé en 3D, les échafaudages P3D, pour améliorer la recherche sur les os. Le premier implant osseux P3D à usage humain devrait arriver sur le marché au cours du second semestre 2022.

 

• NORMES RÉGLEMENTAIRES

L'impression 3D médicale doit subir le même processus d'évaluation que toute autre technologie de santé. L'approbation réglementaire est assez simple pour les objets qui aident le personnel médical, comme les modèles anatomiques, les plateaux d'instruments et les poignées d'outils, car ils n'ont qu'un contact minimal avec le patient, voire aucun.

Les objets internes tels que les implants osseux, les stents artériels et les valves cardiaques sont soumis à des exigences de sécurité plus rigoureuses. L'obtention d'une autorisation est rendue plus difficile en raison de l'absence d'un cadre réglementaire complet.

Plusieurs organismes de réglementation travaillent à l'élaboration de normes appropriées pour l'impression 3D dans le domaine des soins de santé, la Food and Drug Administration (FDA) américaine en étant un exemple. 

Il est déconcertant de constater que l'un des principaux avantages de l'impression 3D médicale rend également l'approbation réglementaire - et donc son utilisation plus répandue - plus difficile. Par rapport à un produit standardisé sur étagère, les dispositifs sur mesure sont beaucoup plus difficiles à approuver, car chacun d'entre eux doit être testé et certifié.

• QUALITÉ INÉGALE

Les imprimantes 3D n'impriment pas des résultats parfaits à chaque fois. Les taux d'échec dépendent de la machine et du matériau utilisés, ainsi que de ce qui est imprimé. De plus, l'élimination de toute irrégularité ou texture de surface peut nécessiter des étapes de traitement manuel supplémentaires pour obtenir la finition souhaitée.

Les taux d'échec et le post-traitement diminueront probablement à mesure que les imprimantes 3D s'amélioreront et que les gens se familiariseront avec cette technologie.

• GROS VOLUMES

 Dans de nombreux cas, l'impression 3D médicale peut produire un seul article ou un petit lot d'articles plus rapidement et plus efficacement que les méthodes de fabrication traditionnelles. Cependant, chaque machine ne peut imprimer qu'un certain nombre d'objets à la fois, en fonction de la taille de la machine et de l'objet, et n'est donc peut-être pas la méthode la plus adaptée ou la plus rentable pour les grandes séries de production.