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Caso de estudio

El potencial de la impresión 3D para crear miocardio sintético.

1 de Febrero de 2020

The potential for 3D printing synthetic myocardium.
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Las pruebas biomédicas confirman la viabilidad de imprimir miocardio sintético en 3D con la impresora Stratasys J750 Digital Anatomy.

Introducción

Las aplicaciones cardíacas de los modelos específicos para cada paciente (PSM) impresos en 3D incluyen la formación quirúrgica, la planificación de procedimientos complejos y la creación o el perfeccionamiento de dispositivos cardíacos. A medida que las intervenciones cardíacas estructurales se vuelven cada vez más complejas, la capacidad de modelar eficazmente la geometría específica del paciente, así como la interacción de los dispositivos dentro y alrededor de dicha geometría, cobra aún más importancia para el avance de las intervenciones quirúrgicas. Hasta ahora, la tecnología de impresión 3D PolyJet™ y otros métodos tradicionales de modelado anatómico se han centrado en lograr una geometría y un aspecto anatómicos externos precisos. La próxima frontera en los PSM impresos en 3D es la simulación de las propiedades biomecánicas del tejido humano.
Perfecting surgical skills with Tissue Matrix

Objetivo

Con el fin de reproducir la respuesta fisiológica del tejido cardíaco nativo —incluidas las paredes de los vasos sanguíneos, las paredes de las cavidades cardíacas y las valvas valvulares—, Stratasys estudió el comportamiento mecánico de cada estructura en colaboración con fabricantes de dispositivos médicos, instituciones de investigación de prestigio mundial, hospitales y personal médico. Los resultados de estos estudios se utilizaron para desarrollar software y materiales que permitieran simular dichas propiedades. Científicos e ingenieros de Medtronic, líder mundial en la fabricación de dispositivos médicos, llevaron a cabo una comparación independiente, realizada por terceros, entre los materiales del miocardio de Digital Anatomy y el tejido cardíaco porcino. A continuación se resumen los resultados y se presentan las implicaciones para el trabajo futuro en el desarrollo de materiales.

Métodos

Se compararon las propiedades mecánicas del miocardio porcino con las de una amplia gama de mezclas de materiales de miocardio impresos en 3D (Tabla 1). Se eligió el miocardio porcino como referencia para la comparación debido a su similitud con el tejido humano, su disponibilidad y el precedente de su uso en ensayos preclínicos de dispositivos cardíacos. Todas las muestras se imprimieron en la impresora 3D Stratasys J750™ Digital Anatomy™.
Perfecting surgical skills with Tissue Matrix
Table 1 - Digital Anatomy Myocardium Material Properties

Conclusiones principales: Complacencia

Las propiedades de los materiales de Digital Anatomy se situaban dentro del mismo rango de elasticidad que el miocardio porcino o eran más rígidas. A espesores anatómicamente relevantes, los valores de rigidez de las muestras impresas de Digital Anatomy se correspondían con la mayoría de las cavidades del corazón porcino (Figura 1).
Small Pin - Load vs. Extension

Variabilidad en la distensibilidad

El miocardio porcino mostró una variabilidad considerable en la distensibilidad entre las distintas cavidades y dentro de cada una de ellas (figura 2). Por el contrario, las muestras de Digital Anatomy mostraron una gran uniformidad (figura 3).
Small Pin - Load vs. Extension Porcine Myocardium
Large Pin - Load vs. Extension for Printed Material

Elasticidad

Se midió la elasticidad de cada una de las muestras impresas para determinar el comportamiento a flexión
y a la tracción. Los módulos de elasticidad de los materiales impresos oscilaron entre 0,262 y 0,536 MPa, siendo Agilus el menos flexible en comparación con las mezclas de materiales miocárdicos digitales. Además, la desviación estándar de cada tipo de material analizado fue pequeña, lo que proporciona un alto grado de confianza en que las muestras impresas se comportarían de la misma manera en cada ocasión (Tabla 2).
Table 2 - Analogue of Young's Modulus Values for Printed Materials

Ensayos de perforación

Tanto Digital Anatomy como el miocardio porcino presentaron mecanismos de fallo similares. En ambos casos se observó un pico de fuerza inicial al perforarse la primera capa resistente: el endocardio en el caso del tejido y la primera capa de Agilus en las muestras de Digital Anatomy.

Pruebas de sutura

Las suturas cortan el material impreso con mayor facilidad que el tejido porcino. Sin embargo, esto también se debe
debido a la configuración específica de la sutura utilizada para evitar el desgarro preliminar de las muestras impresas. Si se hubieran utilizado técnicas de sutura estándar, el material impreso habría fallado antes de la prueba. En cualquier caso, tanto el tejido como el miocardio impreso mostraron delaminación antes de la rotura.

Conclusión

Los materiales impresos en 3D de Digital Anatomy tienen un gran potencial para la fabricación de miocardio específico para cada paciente con propiedades mecánicas precisas asociadas al sexo, la edad, el origen étnico y otras características fisiológicas y patológicas. Los resultados de este estudio sugieren que la fabricación de modelos cardíacos específicos para cada paciente, que imitan el tejido con precisión tanto geométrica como mecánica, es posible con la impresora Stratasys J750 Digital Anatomy, su software y su material. En concreto, el material de Digital Anatomy resulta prometedor por su capacidad para reproducir la distensibilidad del tejido porcino de forma consistente y con una variación mínima. Esto supone una ventaja importante, dada la amplia variabilidad de la distensibilidad porcina en muestras analizadas procedentes de la misma zona del corazón.

A la hora de desarrollar nuevos dispositivos y comprender su funcionalidad, la repetibilidad entre muestras
y momentos de ensayo es muy importante para minimizar las variables de confusión. El miocardio
impreso con Digital Anatomy muestra una alta repetibilidad en el valor de rigidez tanto dentro de una misma muestra sometida a múltiples pruebas como entre muestras. Esto supone una ventaja significativa para los fabricantes de dispositivos médicos que buscan modelos de ensayo en banco de pruebas para obtener resultados fiables y consistentes con una variabilidad mínima. Por lo tanto, resulta idóneo para aplicaciones en el desarrollo de productos en las que la repetibilidad y la fiabilidad son de suma importancia.
Table 3 - Summary of Printed Myocardium Comparison to Porcine Tissue
El trabajo futuro se centrará en mejorar las propiedades de sutura y corte de las mezclas de materiales de Digital Anatomy para que se asemejen más a la elasticidad del tejido natural. Stratasys seguirá colaborando con empresas líderes en dispositivos médicos, hospitales e instituciones de investigación para comparar los materiales de Digital Anatomy con el tejido y el hueso naturales. Los datos recibidos de estas organizaciones se utilizarán para perfeccionar nuevas aplicaciones anatómicas que se ajusten mejor a las propiedades biomecánicas de la anatomía humana, tanto en estado sano como en estado patológico. El objetivo es, en última instancia, eliminar o, al menos, minimizar la necesidad de utilizar cadáveres y modelos animales.

Descargar el caso práctico