El impacto del modelado 3D en las férulas y stents de las vías respiratorias

Hemos escrito antes sobre el papel cada vez mayor del modelado y la impresión 3D en aplicaciones médicas y su impacto en la mejora de la vida de las personas. Pero esta tecnología es cada vez más prometedora para permitir procedimientos que salvan vidas.

En blogs anteriores, hemos cubierto las prótesis motorizadas desarrolladas por el grupo de investigación de Biomechatronics en el MIT donde se debe modelar la extremidad inferior para comprender la estructura interna más la fuerza de los tejidos y músculos individuales que se usan para controlar la extremidad. Entonces, mientras que la extremidad básica es una construcción estándar, la estructura del accesorio y del sensor debe modelarse y fabricarse para cada cliente.

También hemos discutido cómo la personalización masiva se extenderá a la sala de operaciones donde los cirujanos insertarán stents en las venas coronarias y articulaciones de reemplazo personalizadas para adaptarse al paciente, y que pronto, los pacientes tendrán sus arterias y articulaciones afectadas modeladas en 3D para determinar la configuración y el tamaño exactos. necesario.

Ambos conjuntos de aplicaciones demuestran cómo el modelado y la impresión 3D están mejorando los tratamientos y aplicaciones existentes. Y aunque más o menos te cambian la vida, hay una nueva aplicación que solo prácticos gracias al modelado y la impresión en 3D:férulas y stents traqueales o para las vías respiratorias, elementos que pueden salvar vidas.

Estado actual

Los stents actuales para las vías respiratorias (árbol traqueobronquial) son cosas relativamente toscas que consisten en tubos en forma de Y con algún tipo de mecanismo para mantenerlos en su lugar. Parecen más algo fuera de su automóvil que un dispositivo médico. Debido a que estos stents son de construcción simple y solo se ajustan aproximadamente, pueden moverse dentro de las vías respiratorias, lo que reduce su eficacia. O peor aún, el stent puede obstruirse con mucosidad o provocar la formación de tejido nuevo alrededor del mecanismo destinado a mantenerlo en su lugar.

La forma y el tamaño de estos stents se pueden personalizar, pero requiere que se tomen medidas del paciente y luego se comuniquen al fabricante. Este proceso puede demorar semanas hasta que se entrega un nuevo stent y aun así resulta en un stent con un ajuste menos que perfecto. Y, por supuesto, siempre hay casos en los que un paciente no puede esperar.

Fabricación 3D llevada al siguiente nivel

Ingrese al Dr. George Chang del Centro Médico Beth Israel Deaconess, quien vio la aplicación potencial del modelado e impresión 3D para desarrollar stents personalizados que solucionan los problemas de ajuste de las soluciones actuales. Usando una subvención para financiar el proyecto, el Dr. Chang reunió a un equipo diverso para abordar el problema. El primer desafío al que se enfrentó el equipo fue que ninguna impresora 3D podía manejar el silicio de grado médico necesario para el stent. La solución fue imprimir en 3D un molde que luego podría usarse para crear el stent necesario con el material adecuado. Basándose en esa comprensión, el equipo escribió un programa para realizar un escaneo 3D de la tráquea de un paciente y generar el molde necesario. El nuevo stent no solo se ajusta perfectamente y funciona mucho mejor que los stents comerciales anteriores, sino que el tiempo para generar el stent lleva solo unos pocos días.

Hay una consecuencia interesante del trabajo del Dr. Chang:los moldes hechos para los pacientes representan un dispositivo de entrenamiento muy realista para los médicos neumólogos que están aprendiendo a realizar una broncoscopia. Estos moldes no solo son mucho más baratos que los modelos de entrenamiento actuales que se utilizan, sino que capturan todos los detalles de un árbol traqueobronquial real.

Marcándolo hasta las once

A pesar de lo impresionante que es el trabajo pionero del Dr. Chang, básicamente reemplaza un estilo más antiguo de stent. Pero para los bebés que sufren de traqueobroncomalacia (o TBM), los únicos tratamientos actuales son cirugías complicadas y ventilación y monitoreo constantes. Incluso con las cirugías, las posibilidades de que un bebé sobreviva no son buenas. Sin embargo, aquellos que sobreviven crecen fuera de la condición a los tres años.

TBM es una condición en la que las vías respiratorias se comprimen debido a que los órganos internos presionan un árbol traqueobronquial débil. Si bien un stent puede ser una solución obvia, existen dos desafíos principales:

• El tamaño de las vías respiratorias del bebé. Debido a problemas con la colocación, un stent no es práctico.
• Cualquier remedio tiene que crecer con el bebé.

El equipo de Scott Hollister, PhD, Glenn Green, PhD y Robert Morrison, MD, de la Universidad de Michigan, Ann Arbor, ideó el concepto de una férula impresa en 3D (que rodea la tráquea) que crece con el paciente. Además, el equipo quería crear una férula que fuera biorreabsorbible, lo que significa que sería absorbida por el cuerpo del niño en un par de años, evitando la necesidad de una cirugía posterior para retirar la férula.

Courtsey del Sistema de Salud de la Universidad de Michigan

La solución comienza con un modelo 3D construido a partir de imágenes de TC tomadas de las vías respiratorias del bebé. A partir de este modelo, se crea un modelo impreso en 3D del árbol traqueobronquial del niño que se usa para el ajuste, junto con la férula misma. La férula se imprime con un biopolímero llamado policaprolactona, que no solo es biodegradable, sino también económico. Luego, la férula resultante se cose alrededor de la tráquea del niño, sosteniendo la tráquea hasta que se fortalece.

Los resultados son asombrosos. La primera operación con férula se realizó en febrero de 2012 a un niño pequeño cuya única alternativa era la asfixia. Tan pronto como se colocó la férula, la respiración normal volvió. Al bebé se le retiró un ventilador después de 21 días y pudo regresar a casa sin mostrar signos de problemas respiratorios. Teniendo en cuenta que la TBM afecta a 1 de cada 2200 bebés nacidos en los EE. UU., la cantidad de vidas salvadas será enorme.

Continuando hacia el futuro, podemos esperar ver este tipo de soluciones basadas en impresión y modelado 3D para crear stents y férulas biorreabsorbibles para abordar diversas afecciones, ofreciendo nuevas esperanzas a miles de pacientes.