Los modelos de simulación de huesos impresos en 3D están revolucionando la formación médica, la planificación quirúrgica, la investigación y el desarrollo de productos sanitarios al poner en manos de profesionales sanitarios, investigadores e ingenieros réplicas de estructuras óseas realistas y específicas para cada paciente. La producción in situ de modelos de simulación ósea ofrece una serie de ventajas respecto a los métodos tradicionales que utilizan huesos de cadáveres o modelos genéricos externalizados: costes más reducidos, un acortamiento de los tiempos de espera y la oportunidad de crear geometrías personalizadas o adaptadas para cada paciente.
Esta guía de aplicación describe las opciones de materiales de simulación ósea para la impresión 3D por estereolitografía (SLA) y todo el proceso de fabricación in situ de modelos anatómicos con propiedades similares a las de los huesos, destinados al corte y la perforación.
Los modelos de simulación de huesos impresos en 3D están revolucionando la formación médica, la planificación quirúrgica, la investigación y el desarrollo de productos sanitarios al poner en manos de profesionales sanitarios, investigadores e ingenieros réplicas de estructuras óseas realistas y específicas para cada paciente. La producción in situ de modelos de simulación ósea ofrece una serie de ventajas respecto a los métodos tradicionales que utilizan huesos de cadáveres o modelos genéricos externalizados: costes más reducidos, un acortamiento de los tiempos de espera y la oportunidad de crear geometrías personalizadas o adaptadas para cada paciente.
Esta guía de aplicación describe las opciones de materiales de simulación ósea para la impresión 3D por estereolitografía (SLA) y todo el proceso de fabricación in situ de modelos anatómicos con propiedades similares a las de los huesos, destinados al corte y la perforación.
¿Qué es un modelo de simulación de huesos?
Los modelos de simulación de huesos son modelos anatómicos funcionales que presentan propiedades mecánicas similares a las del hueso real cuando se cortan o perforan. Estos modelos se utilizan a menudo en entornos de educación médica para prácticas y formación en cirugía. A veces, estos modelos se crean a partir de escaneos de pacientes para modelar la anatomía asociada a un caso quirúrgico concreto. En estos casos, los médicos utilizan los modelos para practicar un determinado enfoque antes de la operación real, e incluso se pueden esterilizar para que los cirujanos los lleven al quirófano. En otros casos, los desarrolladores de productos sanitarios pueden utilizar los modelos de simulación de huesos para poner a prueba el ajuste y la funcionalidad de herramientas que interactúan con los huesos, como guías de corte y plantillas.
Modelo de columna vertebral impreso con la Rigid 4000 Resin y curado sin calor.
Determinación de los materiales de simulación ósea
Para determinar cuáles son los materiales de nuestro amplio catálogo que son más parecidos al hueso, recogimos opiniones detalladas de ocho colaboradores clínicos y de otros miembros de su sector, todos ellos con amplia experiencia en el corte y la perforación de huesos. A cada colaborador se le proporcionó una serie de modelos óseos basados en los escaneos de sus propios pacientes e impresos con una serie de materiales diferentes. Los colaboradores llevaron a cabo procedimientos estándar con estos modelos, como el corte y la perforación con taladros, sierras y escariadores para huesos. Se recopiló información cualitativa realizando videollamadas con los colaboradores, mientras que las valoraciones de tipo cuantitativo se obtuvieron mediante una matriz de puntuación que calificaba diversas cualidades similares a las de los huesos en los materiales. Los materiales recomendados se determinaron en función de su puntuación general de rendimiento, y estos resultados se apoyaron en opiniones cualitativas.
Elección del material adecuado
Nuestra principal recomendación de material para crear modelos de simulación de huesos es la BioMed Durable Resin. La BioMed Durable Resin es un material transparente desarrollado para aplicaciones biocompatibles que requieran resistencia a los impactos, la rotura y la abrasión. A pesar de ser transparente, la BioMed Durable Resin obtuvo el mejor rendimiento mecánico, similar al del hueso. Algunos testers incluso dijeron que preferían la transparencia del material a los modelos de huesos opacos estándar, porque permitía visualizar mejor el procedimiento que se estaba practicando. La radioopacidad de la BioMed Durable Resin es de aproximadamente 84 HU, que es inferior a la de la mayoría de los tipos de hueso, pero sigue siendo visible mediante TAC. Las piezas impresas con la BioMed Durable Resin pueden esterilizarse, por lo que son adecuadas para su uso en el quirófano o para la planificación quirúrgica.
Nuestra recomendación secundaria para los modelos de simulación de huesos es la Rigid 4000 Resin, curada sin calor. La Rigid 4000 Resin no obtuvo una puntuación tan alta como la BioMed Durable Resin en cuanto a su similitud mecánica con el hueso, pero aun así fue una de las mejores. Este material resultó especialmente atractivo para los testers que querían que los modelos fueran opacos. El curado sin calor permite a los usuarios diferenciar las propiedades mecánicas del exterior del modelo de las del interior del mismo, en un intento de simular mejor las diferencias mecánicas entre el hueso esponjoso y el hueso compacto. La radioopacidad de la Rigid 4000 Resin es de 341 HU, que se encuentra aproximadamente dentro del intervalo correspondiente al hueso esponjoso.
Puedes encontrar más información sobre el procedimiento utilizado para determinar estos valores de radioopacidad aquí.
| BIOMED DURABLE RESIN | RIGID 4000 RESIN | |
| Rendimiento mecánico | ★★★★★ | ★★★☆☆ |
| Semejanza visual al hueso | ☆☆☆☆☆ | ★★★★☆ |
| Semejanza de radioopacidad al hueso | ★★☆☆☆ | ★★★★☆ |
| Biocompatible | ✔ | ✗ |
| Esterilizable | ✔ | ✗ |
Modelos anatómicos de simulación de huesos impresos con la Rigid 4000 Resin curada sin calor (izquierda) y la BioMed Durable Resin (derecha).
"La BioMed Durable Resin de Formlabs es mi resina preferida para crear modelos similares a los huesos. La transparencia de este material es lo que considero más útil en los casos clínicos, ya que permite identificar fácilmente todos los puntos de referencia anatómicos importantes en la preparación de la cirugía. En mi clínica, la BioMed Durable Resin también se utiliza para la enseñanza/formación, ya que ofrece a los principiantes una visibilidad total de las estructuras importantes que se van a tratar durante los procedimientos".
"La BioMed Durable Resin consigue la combinación perfecta entre la poca flexibilidad que proporcionan los huesos más delgados y su capacidad de sufrir fracturas realistas bajo presión. Al combinarlas con su facilidad de impresión, este material se ajusta perfectamente a la simulación médica".
Diseño e impresión de modelos de simulación de huesos
¿Qué hace falta?
DE FORMLABS:
ADVERTENCIA:
Si se llevan a cabo aplicaciones biocompatibles, se deben reservar para ellas sus propios accesorios (tanque de resina, base de impresión y equipamiento de acabado) para cumplir las normas de biocompatibilidad. La Resin Washing Solution no es compatible con las resinas biocompatibles.
DE TERCEROS:
1. Diseño
1.1. Escaneo
Empieza con una imagen de TAC, resonancia magnética o ecografía 3D de los huesos en cuestión.
La calidad de esta imagen es con mucha frecuencia el factor que limita la resolución de las piezas impresas. Cuando obtengas imágenes mediante TAC, resonancia magnética o ecografía 3D, puedes considerar estas modalidades de escaneo y las recomendaciones sobre el grosor de los cortes del Hospital Infantil de Boston (Boston Children's Hospital), así como estas consideraciones del Grupo de Interés Especial en la Impresión 3D de la Sociedad Radiológica de Norteamérica (RSNA). Se recomienda a los usuarios que consulten a su proveedor de software de segmentación para obtener recomendaciones más específicas.
Antes de obtener las imágenes, se debe confirmar que tanto la herramienta como el personal correspondiente tienen acreditaciones actualizadas, y que las imágenes se han adquirido en un tiempo razonable para seguir representando con fidelidad la anatomía y la patología del paciente.
1.2 Segmentación
La fase de segmentación de la imagen médica es donde es más probable que se caiga en errores de precisión. Si la segmentación forma parte de tu proceso de trabajo, debes tomar precauciones adicionales para asegurarte de que estás reconstruyendo la anatomía del paciente con la mayor precisión posible y cumpliendo los requisitos clínicos definidos por el médico.
El profesional sanitario que se encargue de la segmentación debe tener cuidado con las posibles distorsiones de la imagen y resolverlas en esta fase. La segmentación automatizada y cualquier reconstrucción de malla de superficie 3D deben ser revisadas cuidadosamente, idealmente por un radiólogo. La precisión del modelo segmentado se puede verificar antes de la impresión superponiendo los contornos de la superficie a las imágenes médicas originales.
Los paquetes de software de segmentación deben cumplir las normas de los sistemas internos de gestión de calidad y las normativas establecidas. Se deben realizar validaciones regularmente en el software de segmentación, como las evaluaciones IQ/OQ/PQ. Formlabs tiene varios socios preferentes de segmentación, como Materialise. Materialise ofrece un magnífico vídeo explicativo sobre la segmentación y la preparación de la anatomía ósea para la impresión 3D utilizando Materialise Mimics Innovation Suite.
Segmentación de la anatomía ósea basada en el escaneo de un paciente usando Materialise Mimics Innovation Suite.
1.3 Optimiza el diseño para la impresión
Algunos modelos óseos pueden requerir modificaciones adicionales para imprimirse con éxito. En algunos casos, puede que necesites ahuecar el modelo, añadir agujeros de drenaje o engrosar las zonas más débiles. Asegúrate de que el modelo acabado sigue las recomendaciones de diseño de Formlabs para las impresoras de la serie Form 4, Form 3/3B o Form 3L/3BL. En PreForm se pueden realizar algunas modificaciones del modelo, pero la mayoría se deben llevar a cabo en el software de segmentación o en el software CAD de tu elección.
2. Impresión
2.1 Importación del archivo
Comprueba que tu versión de PreForm está actualizada yendo a Help (Ayuda) y, a continuación, a Check For Updates (Buscar actualizaciones) en la esquina superior izquierda. Importa o abre el archivo de tu pieza arrastrándolo hasta PreForm o usando el menú "File" (Archivo) y la opción Open (Abrir) en la esquina superior derecha.
2.2 Selección del material
Selecciona el material para imprimir haciendo clic en el recuadro Printer Type (Tipo de impresora) del menú Job Info (Información del trabajo) que hay en el lado derecho. Selecciona la BioMed Durable Resin o la Rigid 4000 Resin en la cuadrícula de materiales.
2.3 Ahuecado e incorporación de orificios de drenaje
Algunos usuarios prefieren los modelos huecos a los modelos macizos para la simulación de huesos. Es posible ahuecar los modelos y añadirles orificios de drenaje durante la fase de diseño o utilizando PreForm. Para ahuecar un modelo óseo en PreForm, selecciona la función Hollow (Ahuecar) en el lado izquierdo de la ventana de PreForm. Configura el valor del grosor de la pared para que sea el grosor aproximado del hueso compacto en la anatomía ósea que se va a simular. Los orificios de drenaje pueden añadirse utilizando la función Hole (Orificio), que también se encuentra en la parte izquierda de la ventana de PreForm.
2.4 Orientación
PreForm puede realizar una orientación automática basándose en las buenas prácticas recomendadas por Formlabs. Para orientar automáticamente una pieza, selecciónala y haz clic en Orientation (Orientación) en el lado izquierdo de la pantalla. A continuación, haz clic en Auto-Orient Selected (Orientar automáticamente la selección).
Para obtener los mejores resultados posibles, puedes orientar manualmente utilizando los controles rojo, verde y azul que rodean la pieza. A continuación se exponen algunas consideraciones de orientación para orientar manualmente; no seguir estas prácticas aumenta el riesgo de que se produzca un fallo de impresión:
• Imprime directamente sobre la base de impresión siempre que sea posible.
• Cuando imprimas con soportes, orienta la pieza de modo que sea más pequeña en la base y luego se construya sobre sí misma. Esto disminuye la probabilidad de que la pieza se desprenda de los soportes durante la impresión y aumenta la estabilidad.
• Reduce el número de mínimos sin soporte siempre que sea posible.
• Orienta los huecos en dirección opuesta a la base de impresión para evitar que creen un efecto ventosa y que se llenen de resina líquida al imprimir, añadiendo más peso a la pieza.
• Asegúrate de que los modelos huecos están orientados adecuadamente para que evacuen el líquido. Esto se puede conseguir orientando al menos un orificio de drenaje en dirección opuesta a la base de impresión.
• Orienta la parte más delgada del objeto en dirección opuesta a la base de impresión para disminuir las fuerzas de separación y reducir la probabilidad de que se produzca un fallo de impresión.
• Las superficies planas deben orientarse en ángulo, es decir, inclinadas. Este estudio realizado en la Facultad de Ingeniería de la Mercer University sugiere que un ángulo de 60° es ideal para mantener la precisión dimensional.
• Las piezas deben estar inclinadas en más de un eje.
• Si hay un lado en el que los soportes son más aceptables que en otro, o en el que la textura de la superficie o los detalles precisos son menos importantes, este lado debe orientarse hacia la base de impresión. Las zonas en las que no es conveniente añadir soportes, como en regiones de interés específicas o superficies con detalles precisos, deben orientarse en dirección opuesta a la base de impresión.
• Apunta las uniones entre dos superficies hacia abajo, hacia la base de impresión, para preservar la integridad dimensional en las intersecciones.
• A veces, una orientación bien pensada puede ayudar a conseguir que quepa una pieza grande o múltiples piezas a la vez en una misma impresión. Elegir una orientación que reduzca el tamaño de la impresión en los ejes X o Y puede permitirte colocar más piezas en una sola base de impresión. Las orientaciones que ahorran espacio no se basan en maximizar el éxito de la impresión y, por tanto, aumentan el riesgo de fallos. Asegúrate de colocar adecuadamente los soportes para compensarlo.
• Mantén la mayor parte del peso de la pieza lo más cerca posible de la base de impresión para reducir el riesgo de fallos.
• Orienta las piezas largas en paralelo al borde frontal de la base de impresión para poder retirarlas más fácilmente.
Ejemplo de una orientación preferible para una pieza larga. El ángulo pronunciado de la impresión permite que la pieza se sostenga en gran medida por sí misma, lo que reduce la densidad de los soportes y permite que quepan más piezas sobre la base de impresión. El modelo lo ha proporcionado el Dr. Desmond Tan de Alfred Veterinary Orthopedics a través de Alogus Innovation.
2.5 Añadir soportes
Para generar soportes automáticamente en función de las propiedades de la BioMed Durable Resin, selecciona tu pieza y ve a Supports (Soportes) en la parte izquierda de la pantalla para seleccionar Auto-Generate All (Generar automáticamente todo).
Para obtener resultados óptimos, recomendamos modificar manualmente los soportes que se hayan generado automáticamente, o colocar soportes manualmente hasta que la pieza cuente con el suficiente apoyo, que es algo que el programa indica mediante un pulgar verde hacia arriba junto a Supports (Soportes) en el menú Job Setup (Configuración del trabajo). PreForm resaltará en rojo las zonas que puedan requerir apoyo adicional.
2.6 Añadir identificadores de pacientes
Cuando se crean modelos a medida para pacientes específicos, pueden ser necesarios identificadores de pacientes. Los identificadores de pacientes deben determinarse utilizando un número de caso o nomenclatura típicos de la empresa o centro sanitario. Estos identificadores se pueden añadir a la base de la pieza haciendo clic dos veces en el nombre de la pieza en la Model List (Lista de modelos) que hay en la esquina inferior derecha de la ventana de PreForm y escribiendo el identificador del paciente como el nombre de la pieza. Asegúrate de que la casilla Raft Label (Etiqueta de la base) esté marcada en Supports (Soportes). Este identificador de paciente se imprimirá en la base extraíble de la pieza y se guardará como el nombre de la pieza en el Dashboard en línea de Formlabs. En algunos casos, puede ser conveniente que el identificador del paciente esté impreso en relieve o grabado directamente en la propia pieza impresa. En este caso, el texto se puede añadir haciendo clic en Label (Etiquetar) en el menú de la izquierda de PreForm.
Identificador del paciente en relieve en la base de un modelo hecho a medida.
2.7 Organización
Establece la ubicación de tu pieza en la base de impresión haciendo clic y arrastrando, utilizando los controles rojo, verde y azul que rodean tu pieza o haciendo clic en Layout (Organización) y, a continuación, en Layout All (Organizar todo) en la parte derecha de la pantalla. Es mejor colocar las piezas en el centro de la base de impresión. Cuando se imprimen varias piezas, se puede optimizar el espacio en la base de impresión y ahorrar material solapando las bases de las piezas.
2.8 Envío a la impresora
Envía tu trabajo a la impresora haciendo clic en el botón naranja Upload Print (Cargar impresión) de la parte inferior derecha. Cuando se abra el cuadro de diálogo Print (Imprimir), selecciona la impresora que deseas utilizar.
2.9 Preparación de la impresora
Comprueba la fecha de caducidad de tu cartucho de resina para saber si sigue en buen estado. Agita el cartucho de resina y luego introdúcelo en la impresora. Cuando utilices un cartucho nuevo, comprueba que la válvula de mordida de silicona se abre con éxito apretándola con un dedo enguantado. Asegúrate de llevar guantes e introduce en la impresora una base de impresión y un tanque de resina compatible.
Empieza a imprimir seleccionando tu proyecto de impresión en la pantalla táctil de la impresora. Sigue las instrucciones de las indicaciones o cuadros de diálogo que aparezcan.
ADVERTENCIA:
Para lograr la total conformidad y biocompatibilidad de la BioMed Durable Resin, es necesario utilizar un tanque de resina y una base de impresión exclusivamente para ella. Es posible que no sea necesario tener total conformidad normativa y biocompatibilidad para todas las aplicaciones de simulación de huesos.
3. Posacabado de piezas impresas con la BioMed Durable Resin
3.1. Extracción de la pieza
Retira la pieza de la base de impresión. Si usas una Build Platform Flex o una Build Platform 2/L, dobla las asas de acero inoxidable la una hacia la otra. Si usas una Build Platform estándar, introduce la herramienta para retirar piezas debajo de la base de la pieza y gira la herramienta.
3.2 Lavado y retirada de soportes
Coloca la pieza en una Form Wash o Form Wash L llena de alcohol isopropílico al 99 % de concentración. Con el tiempo, la concentración del alcohol isopropílico que se ha utilizado para lavar muchas piezas disminuirá y hará que las piezas queden pegajosas. Comprueba que tu alcohol isopropílico tenga una concentración aceptable utilizando este procedimiento.
Realiza el lavado utilizando los ajustes recomendados para la BioMed Durable Resin que encontrarás aquí. Si el modelo es hueco o tiene canales internos, asegúrate de que la resina líquida salga de todas las cavidades. Esto se puede hacer con una jeringuilla llena de alcohol isopropílico.
Retira los soportes tirando suavemente de la estructura de soporte; deberían desprenderse fácilmente. Si no se sueltan fácilmente o te preocupa dañar tus piezas al tirar de ellas, puedes utilizar alicates de corte, un cuchillo de precisión o un cortador ultrasónico para cortar los soportes en su punto de unión.
Cuando hayas retirado los soportes, lava de nuevo las piezas durante 10 minutos. Deja que las piezas impresas se sequen completamente dejándolas reposar durante una hora. Si las piezas no se secan del todo, pueden quedar pegajosas.
ADVERTENCIA:
Para conseguir total conformidad y biocompatibilidad, la BioMed Durable Resin requiere dedicar a ella exclusivamente una Form Wash o Form Wash L. Utiliza esta Form Wash o Form Wash L solo con otras resinas biocompatibles de Formlabs.
3.3 Poscurado
Coloca la pieza en la Form Cure o Form Cure L y cúrala siguiendo los ajustes de tiempo y temperatura que encontrarás aquí.
ADVERTENCIA:
Para conseguir total conformidad y biocompatibilidad, la BioMed Durable Resin requiere dedicar a ella exclusivamente una Form Cure o Form Cure L. Utiliza esta Form Cure o Form Cure L solo con otras resinas biocompatibles de Formlabs.
Un modelo veterinario completado impreso con la BioMed Durable Resin, proporcionado por el Dr. Desmond Tan de Alfred Veterinary Orthopedics a través de Alogus Innovation.
4. Posacabado de la Rigid 4000 Resin
4.1. Extracción de la pieza
Retira la pieza de la base de impresión. Si usas una Build Platform Flex o una Build Platform 2/L, dobla las asas de acero inoxidable la una hacia la otra. Si usas una Build Platform estándar, introduce la herramienta para retirar piezas debajo de la base de la pieza y gira la herramienta.
Modelo de ilion impreso con la Rigid 4000 Resin, recién sacado de la Form 4B.
4.2 Lavado y retirada de soportes
Coloca la pieza en la Form Wash llena de alcohol isopropílico al 99 % o de Resin Washing Solution (solo para resinas no biocompatibles). Con el tiempo, la concentración del alcohol isopropílico que se ha utilizado para lavar muchas piezas disminuirá y hará que las piezas queden pegajosas. Comprueba que tu alcohol isopropílico tenga una concentración aceptable utilizando este procedimiento.
Realiza el lavado utilizando los ajustes recomendados para la Rigid 4000 Resin que encontrarás aquí. Si el modelo es hueco o tiene canales internos, asegúrate de que la resina líquida salga de todas las cavidades. Esto puede hacerse con una jeringuilla llena de alcohol isopropílico o de Resin Washing Solution, según cuál se utilice.
Retira los soportes tirando suavemente de la estructura de soporte; deberían desprenderse fácilmente. Si no se sueltan fácilmente o te preocupa dañar tus piezas al tirar de ellas, puedes utilizar alicates de corte, un cuchillo de precisión o un cortador ultrasónico para cortar los soportes en su punto de unión.
4.3 Poscurado
Coloca la pieza en la Form Cure o la Form Cure L y cura a 0 °C (temperatura ambiente) durante 15 minutos. Estos ajustes recomendados son diferentes de los que se suelen recomendar para la Rigid 4000 Resin. Al no utilizar calor, solo el nivel superficial de la pieza experimenta el poscurado, lo que genera un comportamiento mecánico más parecido al del hueso real.
Articulación de rótula impresa con la Rigid 4000 Resin y curada sin calor.
Biocompatibilidad y esterilización
La BioMed Durable Resin es un material con certificación ISO 10993 y Clase VI USP. Se fabrica en instalaciones registradas con la FDA y con certificación ISO 13485 y se puede utilizar para aplicaciones en contacto de larga duración con la piel y con membranas mucosas (más de 30 días), así como para productos comunicados con el exterior que están en un contacto de corta duración con tejidos/hueso/dentina (24 horas o menos). Las indicaciones de esterilización y los resultados de la resina BioMed Durable Resin están disponibles previa solicitud.
La Rigid 4000 Resin es un material de ingeniería estándar y no se desarrolló pensando específicamente en aplicaciones médicas. Por este motivo, la Rigid 4000 Resin no se ha sometido a ensayos de biocompatibilidad y actualmente no dispone de indicaciones de esterilización/desinfección.
Siguientes pasos
Formlabs está estudiando cómo hacer que nuestros modelos de simulación ósea sean aún más realistas. Actualmente estamos investigando formas de crear diferentes propiedades mecánicas internas y externas, diferenciando el hueso compacto del esponjoso y utilizando geometrías complejas y técnicas alternativas de posacabado. Si tienes experiencia en este campo, ponte en contacto con [email protected].
Modelo de simulación de huesos que utiliza piezas impresas con múltiples materiales.
Agradecimientos
Nos gustaría expresar nuestra gratitud a los siguientes colaboradores por el valioso tiempo y los conocimientos que nos han prestado para desarrollar esta guía de aplicación:
Modelos de fémur veterinarios impresos con la Rigid 4000 Resin y curados sin calor (izquierda) y la BioMed Durable Resin (derecha), proporcionados por el Dr. Desmond Tan de Alfred Veterinary Orthopedics a través de Alogus Innovation.
¿Tienes preguntas sobre el uso de la impresión SLA para crear modelos de simulación de huesos? Programa una cita con un experto de Formlabs que podrá responder a tus preguntas.
Solicita una pieza de muestra gratuita para ver en persona los materiales impresos en 3D de Formlabs y contacta con nuestros especialistas en impresión 3D para encontrar la solución adecuada para tu aplicación.