Italiano
Italiano
Caso di studio

The potential for 3D printing synthetic myocardium.


The potential for 3D printing synthetic myocardium.

Test biomedici confermano la possibilità di stampare in 3D miocardio sintetico con la stampante 3D Stratasys J750 Digital Anatomy.

Introduzione

Le applicazioni cardiache dei modelli specifici per paziente (PSM) stampati in 3D includono la formazione chirurgica, la pianificazione di procedure complesse e la creazione o il perfezionamento di dispositivi cardiaci. Man mano che gli interventi cardiaci strutturali diventano sempre più complessi, la capacità di modellare efficacemente la geometria specifica del paziente, nonché l’interazione dei dispositivi all’interno e attorno a tale geometria, diventa ancora più preziosa per il progresso degli interventi chirurgici. Finora, l’obiettivo della tecnologia di stampa 3D PolyJet™ e di altri metodi tradizionali di modellazione anatomica è stato quello di ottenere una geometria anatomica esterna e un aspetto precisi. La prossima frontiera nei modelli PSM stampati in 3D è la simulazione delle proprietà biomeccaniche del tessuto umano.
Perfecting surgical skills with Tissue Matrix

Obiettivo

Per riprodurre la risposta fisiologica del tessuto cardiaco nativo, comprese le pareti dei vasi sanguigni, le pareti delle camere cardiache e i lembi valvolari, Stratasys ha studiato il comportamento meccanico di ciascuna struttura in collaborazione con aziende manifatturiere di dispositivi medici, istituti di ricerca di livello mondiale, ospedali e personale medico. I risultati di questi studi sono stati utilizzati per sviluppare software e materiali in grado di simulare tali proprietà. Scienziati e ingegneri di Medtronic, leader mondiale nella produzione di dispositivi medici, hanno condotto un confronto indipendente e imparziale tra i materiali per il miocardio di Digital Anatomy e il tessuto cardiaco suino. Di seguito vengono riassunti i risultati e presentate le implicazioni per il futuro lavoro di sviluppo dei materiali.

Metodi

Le proprietà meccaniche del miocardio suino sono state confrontate con quelle di un'ampia gamma di miscele di materiali di stampa 3D per miocardio (Tabella 1). Il miocardio suino è stato scelto come riferimento per il confronto in ragione della sua somiglianza con il tessuto umano, della sua disponibilità e del fatto che è già stato utilizzato in precedenza nei test preclinici sui dispositivi cardiaci. Tutti i campioni sono stati stampati con la stampante 3D Stratasys J750™ Digital Anatomy™.
Perfecting surgical skills with Tissue Matrix
Table 1 - Digital Anatomy Myocardium Material Properties

Risultati principali: Complianza

Le proprietà dei materiali di Digital Anatomy rientravano nello stesso intervallo di elasticità del miocardio suino oppure erano più rigide. A spessori anatomicamente rilevanti, i valori di rigidità dei campioni stampati con Digital Anatomy corrispondevano a quelli della maggior parte delle camere del cuore suino (Figura 1).
Small Pin - Load vs. Extension

Variabilità della compliance

Il miocardio suino ha mostrato una notevole variabilità nella compliance da una camera all’altra e all’interno di ciascuna camera (Figura 2). Al contrario, i campioni di Digital Anatomy sono risultati altamente coerenti (Figura 3).
Small Pin - Load vs. Extension Porcine Myocardium
Large Pin - Load vs. Extension for Printed Material

Elasticità

È stata misurata l'elasticità di ciascuno dei campioni stampati per determinare il comportamento a flessione
e a trazione. I moduli dei materiali stampati variavano da 0,262 a 0,536 MPa; Agilus risultava il meno flessibile rispetto alle miscele di materiali miocardici digitali. Inoltre, la deviazione standard per ciascun tipo di materiale testato era ridotta, garantendo un elevato grado di affidabilità sul fatto che i campioni stampati si sarebbero comportati allo stesso modo in ogni occasione (Tabella 2).
Table 2 - Analogue of Young's Modulus Values for Printed Materials

Prove di perforazione

Sia Digital Anatomy che il miocardio suino hanno presentato meccanismi di cedimento simili. In entrambi i casi si è osservato un picco di forza iniziale al momento della perforazione del primo strato di robustezza: l'endocardio per il tessuto e il primo strato di Agilus per i campioni Digital Anatomy.

Test sulle suture

Le suture hanno tagliato il materiale stampato più facilmente rispetto al tessuto suino. Tuttavia, ciò è dovuto anche
dovuto alla specifica configurazione del filo di sutura utilizzata per impedire lo strappo preliminare dei campioni stampati. Se fossero state utilizzate tecniche di sutura standard, il materiale stampato avrebbe ceduto prima ancora dell’inizio del test. Ciononostante, sia il tessuto che il miocardio stampato hanno mostrato delaminazione prima del cedimento.

Conclusione

I materiali stampati in 3D con Digital Anatomy presentano un grande potenziale nella realizzazione di miocardio personalizzato in base al paziente, con proprietà meccaniche accurate associate a sesso, età, etnia e altre caratteristiche fisiologiche e patologiche. I risultati di questo studio suggeriscono che la realizzazione di modelli di cuore specifici per paziente, simili al tessuto, con precisione sia geometrica che meccanica, è possibile grazie alla stampante Stratasys J750 Digital Anatomy, al software e al materiale. In particolare, il materiale Digital Anatomy si dimostra promettente nella sua capacità di replicare la compliance del tessuto suino in modo coerente con variazioni minime. Si tratta di un vantaggio significativo, data l’ampia variabilità della compliance suina nei campioni testati provenienti dalla stessa area del cuore.

Nello sviluppo di nuovi dispositivi e nella comprensione della loro funzionalità, la ripetibilità tra i campioni
e i momenti di test è fondamentale per ridurre al minimo le variabili di confondimento. Il miocardio stampato con Digital Anatomy
mostra un’elevata ripetibilità del valore di rigidità all’interno dello stesso campione testato più volte, così come tra i campioni. Ciò rappresenta un vantaggio significativo per le aziende manifatturiere alla ricerca di modelli di test da banco in grado di fornire risultati affidabili e coerenti con una variabilità minima. Si presta quindi ad applicazioni nello sviluppo prodotti in cui la ripetibilità e l’affidabilità sono di fondamentale importanza.
Table 3 - Summary of Printed Myocardium Comparison to Porcine Tissue
Il lavoro futuro sarà finalizzato a migliorare le proprietà di sutura e taglio delle miscele di materiali Digital Anatomy, al fine di avvicinarle maggiormente alla compliance dei tessuti nativi. Stratasys continuerà a collaborare con aziende leader nel settore dei dispositivi medici, ospedali e istituti di ricerca per confrontare i materiali Digital Anatomy con i tessuti e le ossa nativi. I dati ricevuti da queste organizzazioni saranno utilizzati per perfezionare nuove applicazioni anatomiche che rispecchino più fedelmente le proprietà biomeccaniche dell’anatomia umana sia in condizioni di salute che di malattia. L’obiettivo è quello di eliminare definitivamente, o almeno ridurre al minimo, la necessità di ricorrere a modelli su cadaveri e animali.

Scarica il case study