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Perspectives du secteur

Cinq études de cas innovantes de l’impression 3D au service de la médecine

La médecine personnalisée de précision est en plein essor. De nouveaux outils et des technologies avancées permettent un rapprochement entre docteurs et patients. Les traitements et les dispositifs fournis sont personnalisés et donc adaptés au mieux à chaque individu.

Les progrès en technique d’impression 3D médicale ont apporté des solutions à toutes les branches du secteur médical. Pour les patients, de nouveaux outils et de nouvelles méthodes thérapeutiques développés par impression 3D apportent un nouveau degré de confort et de personnalisation aux traitements. Pour les docteurs, cette nouvelle technologie désormais accessible permet une meilleure compréhension des cas complexes et fournit de nouveaux outils qui peuvent finir par rehausser le niveau de la norme de soin.

Des modèles de planification chirurgicale aux systèmes vasculaires et aux bioréacteurs imprimés en 3D, cet article vous fera découvrir cinq exemples de l’essor de l’impression 3D dans le secteur médical et pourquoi de nombreux professionnels de la médecine se réjouissent du potentiel de cette technologie dans leur secteur d’activité.


3D printed injection molds
Webinaire

Applications et processus de travail de l’impression 3D : L’expérience de Mayo Clinic

Dans ce webinaire, le Dr Jonathan Morris, codirecteur du laboratoire de modélisation anatomique et neuroradiologue chez Mayo Clinic fait l’historique de l’impression 3D médicale et examine des cas concrets d’introduction réussie de programmes et d’équipements d’impression 3D par les radiologues dans les hôpitaux.

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1. Modèles chirurgicaux spécifiques aux patients

Les modèles anatomiques imprimés en 3D à partir de données de scan d’un patient deviennent des outils de plus en plus utiles dans la médecine personnalisée et de précision telle qu’on peut l’exercer aujourd’hui. À mesure que les cas se complexifient et que l’efficacité en salle opératoire gagne en importance pour les opérations de routine, les modèles de référence visuels et tactiles peuvent améliorer la compréhension et la communication au sein des équipes de salle opératoire ou avec les patients.

Les professionnels de la santé, les hôpitaux et les organismes de recherche médicale partout dans le monde utilisent des modèles anatomiques imprimés en 3D comme outils de référence pour la planification préopératoire, la visualisation peropératoire et le dimensionnement ou l’ajustement préliminaire de l’équipement médical pour les opérations de routine comme pour les procédures hautement complexes documentées dans des centaines de publications.

La création de modèles tactiles spécifiques au patient à partir de scans par tomodensitométrie ou IRM est désormais abordable et facile à réaliser grâce à l’impression 3D. La littérature spécialisée validée par comité de lecture montre que ces modèles apportent une visualisation supplémentaire qui aide les praticiens à mieux se préparer pour les chirurgies, ce qui réduit le temps passé en salle opératoire et les coûts associés, tout en améliorant le degré de satisfaction du patient par une baisse de son niveau d’anxiété et le raccourcissement de sa convalescence. 

Les praticiens peuvent utiliser des modèles chirurgicaux spécifiques au patient pour lui expliquer l’opération au préalable, ce qui renforce l’adhésion du patient et diminue son anxiété.

Apprendre des modèles préopératoires peut aussi influencer le choix du traitement. C’est précisément ce qui est arrivé au Dr Michael Eames. Après avoir reproduit les os de l’avant-bras d’un jeune patient, le Dr Eames a réalisé que la blessure n’était pas celle qu’il s’imaginait au début.

Le Dr Eames a donc changé d’avis et opté pour une opération sur tissus mous bien moins invasive qui a raccourci le temps de revalidation et a laissé bien moins de cicatrices. Le Dr Eames s’est aidé de la réplique de l’os imprimé pour décrire l’opération au petit patient et à ses parents et ainsi gagner leur adhésion.

Le résultat ? Un temps de chirurgie inférieur à 30 minutes, contrairement aux trois heures d’opération initialement prévues. Cette différence du temps de chirurgie a généré une économie estimée à 5500 $ pour l’hôpital et a diminué le temps de convalescence passé par le patient en soins post-opératoires.

Comme l’explique le Dr Alexis Dang, chirurgienne orthopédique à l’hôpital universitaire de San Francisco, Californie (UCSF, University of California San Francisco) et au centre médical pour vétérans de San Francisco (San Francisco VA, San Francisco Veteran's Affair Medical Center), « Chacun de nos chirurgiens orthopédiques à temps plein et presque tous nos chirurgiens à temps partiel ont utilisé des modèles imprimés en 3D pour le traitement des patients du San Francisco VA. Nous avons tous constaté que l’impression 3D améliore la qualité des actes le jour de l’intervention. »

De nouveaux matériaux d’impression 3D médicaux biocompatibles ont aussi permis le développement de nouveaux outils et techniques chirurgicaux dans le but précis d’améliorer encore le confort clinique pendant la chirurgie. Ces nouveautés comprennent des plateaux de fixation pour instruments, des gabarits de profilage et des modèles de dimensionnement d’implants qui peuvent servir à évaluer la taille des implants dans la salle opératoire avant la première incision, ce qui aide les chirurgiens à accélérer les opérations complexes et à améliorer leur précision. 

Modèle anatomique d’une main, dont la « peau » est réalisée dans un matériau d’impression 3D élastique..

Pour le docteur Todd Goldstein, instructeur à l’institut de recherche médicale Feinstein, le rôle central qu’a fini par avoir l’impression 3D dans son département ne fait pas l’ombre d’un doute. Il estime que si Northwell utilisait des modèles 3D dans 10 à 15 % de ses cas, cela pourrait lui faire économiser 1 750 000 $ par an.

« Des prototypes de dispositif médical et des modèles anatomiques complexes pour nos hôpitaux pour enfants à la création de systèmes de formation, jusqu’à la création de guides chirurgicaux pour implants dentaires, [la technologie d’impression 3D] a augmenté nos capacités et diminué nos coûts, tout en nous permettant de fournir des outils pour traiter les patients qu’il serait presque impossible de reproduire sans notre imprimante 3D SLA fétiche », déclare Goldstein.


Livre blanc

Comment imprimer en 3D des modèles anatomiques pour la planification pré-opératoire et permettre au patient de donner son consentement éclairé

Téléchargez notre livre blanc qui propose aux médecins et aux techniciens de la santé une procédure pas à pas concrète pour se lancer dans la réalisation de modèles anatomiques imprimés en 3D à partir des scans des patients. Il passe en revue les meilleures pratiques pour la configuration d’un scan TDM/IRM, la segmentation des ensembles de données et la conversion des fichiers en un format imprimable en 3D.

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2. Nouveaux dispositifs médicaux et instruments chirurgicaux

L’impression 3D est pour ainsi dire devenue synonyme de prototypage rapide. La facilité d’utilisation et le faible coût de l’impression 3D en interne ont aussi révolutionné le développement de produit à tel point que de nombreux fabricants d’ustensiles médicaux ont adopté cette technologie pour produire de tout nouveaux dispositifs médicaux et instruments chirurgicaux.

Plus de 90 % des 50 plus grands fabricants de dispositifs médicaux utilisent l’impression 3D pour créer des prototypes de dispositifs médicaux précis tels que des gabarits et des fixations pour simplifier le test.

Selon Alex Drew, ingénieur de projet mécanique chez DJO Surgical, un fournisseur mondial de dispositifs médicaux, « avant que DJO Surgical s’équipe [d’une imprimante 3D Formlabs], nous dépendions presque exclusivement de sous-traitants d’impression pour les prototypes. Aujourd’hui, nous utilisons quatre machines Formlabs et l’impact a été conséquent. Notre taux d’impression 3D a doublé, les coûts ont été réduits de 70 % et le niveau de détail de l’impression permet de communiquer clairement sur la conception de dispositifs avec les chirurgiens orthopédistes. »

Les entreprises de dispositifs médicaux telles que Coalesce utilisent l’impression 3D pour créer des prototypes de dispositifs médicaux précis.

L’impression 3D peut accélérer le processus de conception en produisant des itérations de modèles complexes en quelques jours au lieu de semaines entières. Quand Coalesce a été chargée de créer un inhalateur capable d’évaluer numériquement le profil de débit inspiratoire des patients asthmatiques, sous-traiter à des prestataires de services aurait entraîné des délais de production importants pour chaque prototype. Les fichiers de conception auraient dû être minutieusement optimisés au fur et à mesure des multiples itérations avant d’être envoyés au prestataire pour la fabrication. 

Au lieu de cela, l’impression 3D SLA de bureau à permis à Coalesce de maintenir tout son processus de prototypage en interne. Les prototypes convenaient à un usage pour des études cliniques et ressemblaient exactement au produit fini. En fait, quand Coalesce a présenté son dispositif à son client, celui-ci a pris le prototype pour le produit fini !

En tout, le travail réalisé en interne a réduit de 80 à 90 % le délai de production des prototypes. De plus, les pièces ne prenaient que huit heures à imprimer et pouvaient être finies et peintes en quelques jours alors que le même processus aurait pris une semaine ou deux avec un sous-traitant.

3. Prothèses abordables

Chaque année, des centaines de milliers de personnes perdent un membre, mais seule une fraction d’entre eux peut se procurer une prothèse pour compenser cette perte.

Les prothèses simples ne sont disponibles qu’en quelques tailles. Les patients doivent donc se contenter de ce qui s’adapte le mieux à leur morphologie. À l’inverse, les dispositifs bioniques développés sur mesure et conçus pour reproduire les mouvements et les interactions des vrais membres en utilisant les muscles du membre résiduel d’une personne pour contrôler la prothèse sont si chers qu’ils ne sont accessibles qu’aux patients les mieux couverts par le système de santé dans les pays les plus développés. Ceci est particulièrement vrai dans le cas des prothèses pour enfants. Au fil de leur croissance et de leurs activités, les enfants finissent toujours par devenir trop grands pour leur prothèse ou par endommager celle-ci, ce qui nécessite une réparation ou un remplacement coûteux.

La difficulté vient du fait qu’il existe peu de processus de fabrication permettant de produire des pièces sur mesure de manière abordable. Mais de plus en plus, les prothésistes peuvent tirer parti de la liberté de conception bien connue qu’offre l’impression 3D. Grâce à celle-ci, l’obstacle financier empêchant le traitement peut disparaître. 

Des initiatives telles que e-NABLE permettent à des communautés entières de par le monde à se former autour des prothèses imprimées en 3D. Ses participants ont donné naissance à un mouvement indépendant de production de prothèses en partageant gratuitement des informations et des modèles libres de droits afin que les patients puissent obtenir une prothèse sur mesure correspondant à leurs besoins pour à peine une cinquantaine de dollars. 

D’autres inventeurs tels que Lyman Connor vont encore plus loin. Avec un petit parc d’à peine quatre imprimantes 3D de bureau, Lyman a pu réaliser et poser ses premières prothèses de production. Son objectif final ? Créer une main bionique complète et personnalisable pouvant être vendue pour une fraction du prix affiché actuellement pour des prothèses aussi élaborées, qui se chiffre en dizaines de milliers de dollars. 

Ailleurs, des chercheurs du MIT ont aussi déclaré l’impression 3D comme étant le moyen optimal de produire des fixations de prothèse plus confortables.

Il va sans dire que le faible coût de production de ces prothèses, de même que la liberté inhérente à la conception sur mesure ont eu l’effet d’une révélation. Les prothèses réalisées par impression 3D peuvent être produites en deux petites semaines, puis elles peuvent être essayées et entretenues pour un coût bien inférieur à leurs équivalents traditionnels. 

À mesure que les coûts continuent de baisser et que les propriétés des matériaux s’améliorent, l’impression 3D va certainement devenir de plus en plus présente dans ce secteur de la santé.

4. Semelles intérieures correctrices et orthèses

Les mêmes obstacles financiers bloquant l’accès au traitement dans le cas des prothèses sont nombreux à être également inhérents à des secteurs tels que celui des orthèses et des semelles intérieures. Comme bien d’autres dispositifs médicaux spécifiques au patient, les orthèses sur mesure sont souvent financièrement inaccessibles à cause de leur coût élevé. De plus, leur fabrication prend des mois, voire des semaines. Grâce à l’impression 3D, ce n’est plus nécessairement le cas.

Nous pensons par exemple au cas de Matej et de son fils Nik. Nik est né prématurément en 2011 et des complications lors de l’accouchement lui ont occasionné une paralysie cérébrale, un trouble qui touche presque vingt millions de personnes dans le monde. Matej, encouragé par la volonté inébranlable de son fils à dépasser les limites que lui imposait sa maladie, a dû faire face à un choix : une orthèse standard toute faite qui aurait été inadaptée et inconfortable pour son fils, ou un dispositif sur mesure hors de prix qui n’aurait pu être livré que des semaines ou des mois plus tard, et qui serait vite devenu obsolète en raison de la croissance de l’enfant.

Il a donc décidé de prendre le problème à bras le corps et s’est mis en quête de nouvelles solutions pour atteindre son but. Grâce à la liberté offerte par les technologies numériques telles que le scan 3D et l’impression 3D, Matej et les kinésithérapeutes de Nik ont pu expérimenter à volonté et développer un processus de travail entièrement nouveau pour les orthèses cheville-pied.

L’orthèse imprimée en 3D sur mesure qui en a résulté a donné à Nik le soutien, le confort et la correction à l’endroit précis où ils étaient nécessaires, ce qui a aidé Nik à enfin faire ses premiers pas tout seul. Ce dispositif orthétique sur mesure reproduisait le degré d’ajustement élevé des orthèses de la meilleure qualité pour une fraction du prix et sans nécessiter d’ajustements supplémentaires.

Les professionnels du monde entier utilisent l’impression 3D pour réinventer les semelles intérieures et les orthèses spécifiques au patient et au consommateur, ainsi que toute une gamme d’autres outils qui améliorent la kinésithérapie. Par le passé, l’utilisation de dispositifs sur mesure en kinésithérapie s’est révélée compliquée. Les patients étaient souvent confrontés à des temps d’attente importants et à des pièces finies qui étaient inconfortables. L’impression 3D est en passe de changer cette situation. Les semelles intérieures et les orthèses imprimées en 3D se révèlent mieux ajustées, mènent à de meilleurs résultats thérapeutiques et offrent aux patients un confort et une durée d’utilisation supérieurs.

5. Bioimpression, génie tissulaire, organes imprimés en 3D et plus encore

Les méthodes de traitement conventionnelles des patients atteints de défaillances organiques graves consistent aujourd’hui à pratiquer l’autogreffe, une greffe de tissu où donneur et receveur sont la même personne, ou la transplantation d’organes venant d’un donneur. Les chercheurs spécialisés en bioimpression et en génie tissulaire espèrent bientôt changer cela et être capables de créer des tissus, des vaisseaux sanguins et des organes à la demande.

La bioimpression 3D désigne l’utilisation de procédés de fabrication additive par dépôt de matériau appelé bioencre pour créer des structures similaires aux tissus à usage médical. Le génie tissulaire, lui, fait référence aux diverses technologies évolutives, dont la bioimpression, permettant de cultiver du tissu et des organes de remplacement en laboratoire afin de traiter les blessures et les maladies. 

Grâce à l’impression 3D de haute précision, des chercheurs tels que le docteur Sam Pashneh-Tala de l’université de Sheffield ont élargi le champ des possibilités du génie tissulaire.

Pour diriger la croissance cellulaire de manière à ce que le tissu désiré se forme, le Dr Pashneh-Tala cultive en laboratoire des cellules vivantes sur un échafaudage qui fournit un modèle de la taille, la forme et la géométrie désirées. Par exemple, une structure tubulaire est nécessaire à la création d’un vaisseau sanguin pour un patient cardiovasculaire. Les cellules se multiplieront et couvriront l’échafaudage en épousant sa forme. Ensuite, l’échafaudage se résorbe graduellement et laisse les cellules vivantes organisées selon la forme du tissu désiré. Ce processus est effectué à l'intérieur d’un bioréacteur, une chambre qui contient le tissu en développement et peut reproduire l’environnement interne du corps afin de lui donner les caractéristiques biologiques et mécaniques du tissu organique.

Une chambre de bioréacteur imprimée en 3D dans laquelle une aorte miniature en tissu de synthèse est en train de grandir. Le tissu est cultivé dans le bioréacteur pour obtenir les caractéristiques mécaniques et biologiques du tissu organique.

Cela permettra aux scientifiques de concevoir des greffons vasculaires spécifiques au patient et d’améliorer les options chirurgicales, en plus de leur fournir une plate-forme de test unique pour de nouveaux dispositifs vasculaires destinés aux personnes souffrant de maladies cardiovasculaires, ce qui est actuellement la première cause de décès dans le monde. Au-delà de ces avancées, l’objectif final est de créer des vaisseaux sanguins prêts à être implantés dans les patients. Comme le génie tissulaire utilise des cellules prélevées sur le patient à traiter, cela élimine la possibilité de rejet par le système immunitaire, ce qui est un problème majeur dans les procédures classiques de transplantation d’organes à l’heure actuelle. 

L’impression 3D s’est montrée capable de surmonter les défis posés par la production de vaisseaux sanguins synthétiques en apportant une solution pour reproduire précisément la forme, la taille et la géométrie des vaisseaux désirés. Pouvoir fournir une solution imprimée qui répond précisément aux besoins spécifiques du patient a changé la donne. 

Comme le dit le Dr Pashneh-Tala : « [Créer des vaisseaux sanguins par impression 3D] offre la possibilité d’améliorer les options chirurgicales et même de concevoir des vaisseaux sanguins adaptés au patient. Sans accès à une impression 3D abordable et de haute précision, la création de ces formes ne serait pas possible. »

Nous assistons à des progrès enthousiasmants en ce qui concerne les matériaux biologiques adaptés à une utilisation dans des imprimantes 3D. Les scientifiques développent de nouveaux matériaux en hydrogel qui présentent la même consistance que le tissu organique trouvé dans le cerveau et les poumons humains et qui peuvent être compatibles avec différents procédés d’impression 3D. Les scientifiques espèrent pouvoir les implanter sur un organe pour qu’ils agissent comme un « échafaudage » sur lequel les cellules seraient encouragées à pousser.

Bien que la bioimpression d’organes internes pleinement fonctionnels tels que des cœurs, des reins et des foies relève encore de la science-fiction, les progrès des techniques d'impression 3D hybrides surviennent à un rythme très rapide. 

Tôt ou tard, on s’attend à ce que la fabrication de matière biologique sur des imprimantes de laboratoire mène à la capacité de générer de nouveaux organes imprimés en 3D entièrement fonctionnels. En avril 2019, des scientifiques de l’université de Tel Aviv ont créé le premier cœur en 3D en utilisant les matériaux biologiques d’un patient. La minuscule réplique a été créée à l’aide des propres matériaux biologiques du patient, ce qui a donné une compatibilité parfaite avec les profils immunologique, cellulaire, biochimique et anatomique du patient.

« À ce stade, notre cœur en 3D est petit, de la taille de celui d’un lapin, mais des cœurs humains plus grands utiliseront la même technologie », explique le professeur Tal Dvir.

Le premier cœur bioimprimé en 3D, créé à l’université de Tel Aviv.

Le premier cœur bioimprimé en 3D, créé à l’université de Tel Aviv.

Quel est l’avenir de l’impression 3D médicale ?

Des processus d’impression 3D précis et abordables tels que la stéréolithographie de bureau sont en train de démocratiser l’accès à cette technologie, donnant aux professionnels de la santé les armes pour développer de nouvelles solutions cliniques, fabriquer rapidement des dispositifs sur mesure, et permettant aux praticiens d’administrer de nouveaux traitements partout dans le monde.  

À mesure que les technologies et les matériaux d’impression 3D continueront de s’améliorer, ils prépareront le terrain pour le soin personnalisé et des applications médicales révolutionnaires.

Apprenez-en plus sur l’impression 3D médicale