Le potentiel de l'impression 3D pour la création d'un myocarde synthétique

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Des essais biomédicaux confirment la possibilité d'imprimer en 3D du myocarde synthétique à l'aide de l'imprimante 3D Stratasys J750 Digital Anatomy.

Introduction

Les applications cardiaques des modèles spécifiques au patient (PSM) imprimés en 3D comprennent la formation chirurgicale, la planification d’interventions complexes, ainsi que la création ou le perfectionnement de dispositifs cardiaques. À mesure que les interventions cardiaques structurelles gagnent en complexité, la capacité à modéliser efficacement la géométrie spécifique au patient, ainsi que l’interaction des dispositifs au sein et autour de cette géométrie, devient encore plus précieuse pour faire progresser les interventions chirurgicales. Jusqu’à présent, la Technologie d’impression 3D PolyJet™ et les autres méthodes traditionnelles de modélisation anatomique visaient principalement à obtenir une géométrie et un aspect anatomiques externes avec une précision dimensionnelle élevée. La prochaine étape dans le domaine des PSM imprimés en 3D est la simulation des propriétés biomécaniques des tissus humains.

Perfecting surgical skills with Tissue Matrix

Objectif

Afin de reproduire la réponse physiologique du tissu cardiaque natif, notamment les parois vasculaires, les parois des cavités cardiaques et les feuillets valvulaires, Stratasys a étudié le comportement mécanique de chaque structure en collaboration avec des fabricants de dispositifs médicaux, des instituts de recherche de renommée mondiale, des hôpitaux et du personnel médical. Les résultats de ces études ont servi à développer des logiciels et des matériaux permettant de simuler ces propriétés. Des scientifiques et ingénieurs de Medtronic, leader mondial dans la fabrication de dispositifs médicaux, ont mené une comparaison indépendante, réalisée par un tiers, entre les matériaux de myocarde Digital Anatomy et le tissu cardiaque porcin. Le texte suivant résume les résultats et présente les implications pour les travaux futurs en matière de développement de matériaux.

Méthodes

Les propriétés mécaniques du myocarde porcin ont été comparées à celles d’un large éventail de mélanges de matériaux de myocarde imprimés en 3D (tableau 1). Le myocarde porcin a été choisi comme référence de comparaison en raison de sa similitude avec le tissu humain, de sa disponibilité et de son utilisation antérieure dans les essais précliniques de dispositifs cardiaques. Tous les échantillons ont été imprimés sur l’imprimante 3D Stratasys J750™ Digital Anatomy™.

Table 1 - Digital Anatomy Myocardium Material Properties

Principales conclusions : Compliance

Les propriétés de matériaux Digital Anatomy se situaient soit dans la même plage de compliance que le myocarde porcin, soit à un niveau de rigidité supérieur. À des épaisseurs pertinentes sur le plan anatomique, les valeurs de rigidité des échantillons Digital Anatomy imprimés correspondaient à celles de la plupart des cavités du cœur porcin (illustration 1).

Variabilité de la compliance

Le myocarde porcin présentait une variabilité considérable de la compliance d’une cavité à l’autre et au sein de chaque cavité (illustration 2). En revanche, les échantillons de Digital Anatomy étaient très homogènes (illustration 3).

Small Pin - Load vs. Extension Porcine Myocardium

Large Pin - Load vs. Extension for Printed Material

Élasticité

L'élasticité a été mesurée pour chacun des échantillons imprimés afin de déterminer le comportement en flexion

et à la traction de chaque matériau. Les modules des matériaux imprimés variaient entre 0,262 et 0,536 MPa, l’Agilus étant le moins souple par rapport aux mélanges de matériaux myocardiques numériques. De plus, l’écart-type pour chaque type de matériau testé était faible, ce qui garantissait un haut degré de confiance quant au fait que les échantillons imprimés se comporteraient de la même manière à chaque fois (tableau 2).

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

Essais de perforation

Digital Anatomy et le myocarde porcin présentaient des mécanismes de rupture similaires. Dans les deux cas, on a observé un pic de force initial lors de la perforation de la première couche de robustesse : l’endocarde pour le tissu et la première couche d’Agilus pour les échantillons Digital Anatomy.

Essais de suture

Les sutures ont transpercé le matériau imprimé plus facilement que le tissu porcin. Toutefois, cela s’explique également

en raison de la configuration spécifique de la suture utilisée pour éviter toute déchirure préliminaire des échantillons imprimés. Si des techniques de suture standard avaient été utilisées, le matériau imprimé aurait cédé avant même le début de l’essai. Quoi qu’il en soit, le tissu et le myocarde imprimé ont tous deux présenté un délaminage avant la rupture.

Conclusion

Les matériaux imprimés en 3D par Digital Anatomy présentent un grand potentiel pour la fabrication de myocarde sur mesure, dotés de propriétés mécaniques précises en fonction du sexe, de l’âge, de l’origine ethnique et d’autres caractéristiques physiologiques et pathologiques. Les résultats de cette étude suggèrent que la fabrication de modèles de cœur imitant les tissus spécifiques à chaque patient, avec une exactitude dimensionnelle tant géométrique que mécanique, est possible grâce à l’imprimante Stratasys J750 Digital Anatomy, à son logiciel et à son matériau. Plus précisément, le matériau Digital Anatomy se révèle prometteur par sa capacité à reproduire de manière uniforme la compliance des tissus porcins avec un minimum de variations. Il s’agit là d’un avantage majeur compte tenu de la grande variabilité de la compliance porcine observée dans des échantillons prélevés sur la même zone du cœur.

Lors du développement de nouveaux dispositifs et de la compréhension de leur fonctionnement, la répétabilité entre les échantillons

et les moments des essais est très importante pour minimiser les variables de confusion. Le

imprimé par Digital Anatomy présente une grande répétabilité de la valeur de rigidité au sein d’un même échantillon testé à plusieurs reprises, ainsi qu’entre les échantillons. Cela constitue un avantage significatif pour les fabricants de dispositifs médicaux à la recherche de modèles d’essais en laboratoire permettant d’obtenir des résultats fiables et cohérents avec une variabilité minimale. Il se prête donc à des applications dans le développement produit où la répétabilité et la fiabilité sont d’une importance capitale.

Table 3 - Summary of Printed Myocardium Comparison to Porcine Tissue

Les travaux futurs viseront à améliorer les propriétés de suture et de coupe des mélanges de matériaux « Digital Anatomy » afin de se rapprocher davantage de la souplesse des tissus naturels. Stratasys poursuivra sa collaboration avec les principaux fabricants de dispositifs médicaux, les hôpitaux et les instituts de recherche afin de comparer les matériaux « Digital Anatomy » aux tissus et os naturels. Les données fournies par ces organismes serviront à perfectionner de nouvelles applications anatomiques qui reproduiront plus fidèlement les propriétés biomécaniques de l’anatomie humaine, tant à l’état sain qu’à l’état pathologique. L’objectif est, à terme, d’éliminer ou, à tout le moins, de réduire au minimum le recours aux modèles issus de cadavres et d’animaux.

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