The Potential for 3D Printing Synthetic Myocardium

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Redefinindo o realismo: como o tecido impresso em 3D parece tão real quanto o verdadeiro No coração da inovação: modelos vasculares suturáveis criados para cirurgiões Do planejamento à prática: como os cirurgiões do Hospital SJD adotam a impressão 3D

Testes biomédicos confirmam a viabilidade da impressão 3D de miocárdio sintético com a impressora Stratasys J750 Digital Anatomy.

Introdução

As aplicações cardíacas de modelos específicos para o paciente (PSMs) impressos em 3D incluem treinamento cirúrgico, planejamento de procedimentos complexos e a criação ou aprimoramento de dispositivos cardíacos. À medida que as intervenções cardíacas estruturais se tornam cada vez mais complexas, a capacidade de modelar com eficácia a geometria específica do paciente, bem como a interação dos dispositivos dentro e ao redor dessa geometria, torna-se ainda mais valiosa para o avanço das intervenções cirúrgicas. Até agora, o foco da tecnologia de impressão 3D PolyJet™ e de outros métodos tradicionais de modelagem anatômica tem sido alcançar uma geometria e aparência anatômicas externas precisas. A próxima fronteira nos PSMs impressos em 3D é a simulação das propriedades biomecânicas do tecido humano.

Perfecting surgical skills with Tissue Matrix

Objetivo

Para reproduzir a resposta fisiológica do tecido cardíaco nativo, incluindo paredes vasculares, paredes das câmaras cardíacas e folhetos valvares, a Stratasys estudou o comportamento mecânico de cada estrutura em colaboração com fabricantes de dispositivos médicos, instituições de pesquisa de nível mundial, hospitais e profissionais da área médica. Os resultados desses estudos foram utilizados para desenvolver softwares e materiais capazes de simular essas propriedades. Cientistas e engenheiros da Medtronic, líder global na fabricação de dispositivos médicos, realizaram uma comparação independente, conduzida por terceiros, entre os materiais do miocárdio da Digital Anatomy e o tecido cardíaco suíno. A seguir, resumem-se as conclusões e apresentam-se as implicações para trabalhos futuros no desenvolvimento de materiais.

Métodos

As propriedades mecânicas do miocárdio suíno foram comparadas às de uma ampla gama de misturas de materiais para miocárdio impressos em 3D (Tabela 1). O miocárdio suíno foi escolhido como referência para comparação devido à sua semelhança com o tecido humano, à sua disponibilidade e ao fato de já ter sido utilizado em testes pré-clínicos de dispositivos cardíacos. Todas as amostras foram impressas na impressora 3D Stratasys J750™ Digital Anatomy™.

Table 1 - Digital Anatomy Myocardium Material Properties

Principais conclusões: Conformidade

As propriedades dos materiais da Digital Anatomy estavam dentro da mesma faixa de complacência do miocárdio suíno ou eram mais rígidas. Em espessuras anatomicamente relevantes, os valores de rigidez das amostras impressas da Digital Anatomy corresponderam à maioria das câmaras do coração suíno (Figura 1).

Variabilidade na complacência

O miocárdio suíno apresentou considerável variabilidade na complacência entre as câmaras e dentro de cada câmara (Figura 2). Em contrapartida, as amostras da Digital Anatomy apresentaram alta consistência (Figura 3).

Small Pin - Load vs. Extension Porcine Myocardium

Large Pin - Load vs. Extension for Printed Material

Elasticidade

A elasticidade foi medida em cada uma das amostras impressas para determinar o comportamento de flexão

e à tração de cada material. Os módulos dos materiais impressos variaram de 0,262 a 0,536 MPa, sendo o Agilus o menos flexível, em comparação com as misturas de materiais miocárdicos digitais. Além disso, o desvio-padrão para cada tipo de material testado foi pequeno, proporcionando um alto grau de confiança de que as amostras impressas se comportariam da mesma maneira todas as vezes (Tabela 2).

Table 2 - Analogue of Young's Modulus Values for Printed Materials

Teste de perfuração

Tanto o Digital Anatomy quanto o miocárdio suíno apresentaram mecanismos de falha semelhantes. Em ambos, observou-se um pico inicial de força quando a primeira camada resistente foi perfurada; no tecido, essa camada era o endocárdio, e nas amostras do Digital Anatomy, a primeira camada de Agilus.

Teste de suturas

As suturas cortam o material impresso com mais facilidade do que o tecido suíno. No entanto, isso também se deve

devido à configuração específica da sutura utilizada para evitar o rasgo preliminar das amostras impressas. Se técnicas padrão de sutura tivessem sido utilizadas, isso teria resultado na falha do material impresso antes mesmo do início do teste. De qualquer forma, tanto o tecido quanto o miocárdio impresso apresentaram delaminação antes da falha.

Conclusão

Os materiais impressos em 3D da Digital Anatomy apresentam grande potencial na fabricação de miocárdio específico para cada paciente, com propriedades mecânicas precisas associadas a gênero, idade, etnia e outras características fisiológicas e patológicas. Os resultados deste estudo sugerem que a fabricação de modelos cardíacos que imitam tecidos específicos do paciente, com precisão tanto geométrica quanto mecânica, é possível com a impressora Stratasys J750 Digital Anatomy, seu software e material. Especificamente, o material da Digital Anatomy se mostra promissor em sua capacidade de replicar a complacência do tecido suíno de maneira consistente, com variação mínima. Essa é uma grande vantagem, dada a ampla variabilidade da complacência suína em amostras testadas da mesma área do coração.

Ao desenvolver novos dispositivos e compreender sua funcionalidade, a repetibilidade entre amostras

e momentos de teste é muito importante para minimizar variáveis de confusão. O miocárdio

impresso pela Digital Anatomy apresenta alta repetibilidade no valor de rigidez dentro da mesma amostra testada várias vezes, bem como entre amostras. Isso representa uma vantagem significativa para fabricantes de dispositivos médicos que buscam modelos de testes de bancada para produzir resultados confiáveis e consistentes com variabilidade mínima. Portanto, ele se presta a aplicações no desenvolvimento de produtos onde a repetibilidade e a confiabilidade são de suma importância.

Table 3 - Summary of Printed Myocardium Comparison to Porcine Tissue

Os trabalhos futuros terão como objetivo aprimorar as propriedades de sutura e corte das misturas de materiais da Digital Anatomy, a fim de se aproximarem ainda mais da elasticidade do tecido nativo. A Stratasys continuará a colaborar com empresas líderes no setor de dispositivos médicos, hospitais e instituições de pesquisa para comparar os materiais da Digital Anatomy com o tecido e o osso nativos. Os dados recebidos dessas organizações serão utilizados para aperfeiçoar novas aplicações anatômicas que se aproximem mais das propriedades biomecânicas da anatomia humana, tanto em condições saudáveis quanto patológicas. O objetivo é, em última instância, eliminar ou, pelo menos, minimizar a necessidade de modelos em cadáveres e animais.

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The potential for 3D printing synthetic myocardium.