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L’importance croissante de l’impression 3D dans le secteur médical

L’importance croissante de l’impression 3D dans le secteur médical

by Gaëtan Lefèvre29 août 2016
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Scott Rader est directeur général des solutions médicales chez Stratasys Ltd., fournisseur de solutions d’impression 3D. Il nous expose son point de vue sur cette nouvelle technologie, son influence sur le secteur médical et nous donne un aperçu de l’avancée des développements actuels.

Par Giorgio Magistrelli, expert en fabrication additive, gestionnaire d’entreprise et de projets.

 

L’impression 3D s’est clairement imposée dans le secteur médical. Pourquoi ce secteur devrait-il continuer d’investir dans cette technologie ?

C’est en démontrant l’importance de l’utilisation de l’impression 3D dans le milieu médical que nous allons répondre à cette question. Le secteur médical est un domaine où l’innovation et les nouvelles technologies ont un impact direct sur l’optimisation des processus, l’amélioration des résultats des opérations, la réduction des coûts inutiles et surtout le nombre de vies sauvées. La technologie de fabrication additive joue un rôle clé dans ce domaine.

Créée il y a plus de 25 ans, l’impression 3D, aussi appelée fabrication additive, est passée d’une simple plate-forme de prototypage à une machine d’usinage performante comptant un large éventail d’applications pour une multitude de secteurs. Ces secteurs s’étendent des prototypes médicaux fonctionnels, comme une attelle de genou pour améliorer la motricité, jusqu’à la fabrication de pièces pour le secteur aérospatial ou encore des composants automobiles résistants à la chaleur et aux épreuves inhérentes aux vitesses élevées.

Dans certains cas, les chirurgiens sont désormais capables de s’exercer avant une opération en utilisant des modèles imprimés en 3D. Personnalisés en fonction de l’anatomie du patient, ils peuvent ainsi mieux adapter les soins et réduire le temps d’opération. Le cas de cette petite fille de deux ans, née avec une anomalie faciale sévère, connue sous le nom de dysplasie fronto-nasale, illustre les possibilités offertes. Cette anomalie provoque un élargissement des traits de son visage, en particulier de son nez, sans cartilage, et de l’espace entre ses yeux. Le résultat est une déformation physique et une mauvaise vue. Grâce à la technologie d’impression 3D, des modèles précis de son crâne ont été imprimés rapidement et à peu de frais. L’équipe médicale a ainsi pu les utiliser pour planifier l’opération et expliquer la procédure aux parents. Sans un guide chirurgical imprimé en 3D, l’intervention aurait duré près de 24 heures. Avec la planification de l’opération grâce au modèle 3D, celle-ci n’a duré que 10 heures. Avec des salles d’opération à 100 euros par minute, cet exemple montre bien les économies importantes que les hôpitaux peuvent réaliser en pratiquant des interventions sur un modèle imprimé au préalable en 3D. Qui plus est, les complications liées aux opérations sont réduites puisque le temps de l’anesthésie est diminué, un risque non négligeable pour les patients pédiatriques.

L’impression 3D permet également de diminuer les coûts en choisissant l’appareil optimal avant l’opération, réduisant ainsi les déchets. Par exemple, la valve cardiaque d’un nouveau patient a été mesurée selon un IRM et des images tomographiques effectuées avant que le cas n’apparaisse. Cependant, lorsque le modèle d’impression 3D du coeur du patient a été utilisé, il s’est avéré que l’appareil choisi n’a pas correctement tenu, provoquant une fuite à travers la valve. Le bon appareil a donc pu être choisi avant la procédure, ce qui a permis de réduire tout déchet lié à d’éventuelles erreurs de dimensions.

Plusieurs cas ont démontré que l’impression 3D avait amélioré le diagnostic et le traitement des patients. La demande constante d’amélioration des coûts pousse les fabricants d’appareils médicaux à produire plus rapidement leurs produits, à bas coût, avec une personnalisation accrue et une utilisation moins intensive des ressources. Les hôpitaux peuvent tester les prototypes de dispositifs médicaux imprimés en 3D au début du processus et suggérer des étapes de conception nécessaires avant la production finale. Par la suite, le délai de commercialisation des nouveaux appareils médicaux est réduit de manière significative, permettant à un plus grand nombre de patients de bénéficier rapidement de ces nouvelles innovations.

Les professionnels de la santé ont trois principales raisons d’investir dans l’impression 3D : celle-ci contribue au processus de fabrication et à la conception d’appareils médicaux, elle permet de créer de nouveaux produits et, plus important encore, elle améliore la prestation des soins de santé au niveau clinique et à moindre coût.

De quelle manière la fabrication additive contribue-t-elle à la conception des appareils médicaux ?

Depuis sa création, l’impression 3D a offert aux concepteurs et ingénieurs de nouvelles possibilités de création que n’offraient pas les méthodes de fabrication traditionnelle. Grâce à la technologie de fabrication additive, les fabricants du milieu médical réduisent de manière significative leurs délais de production. Les utilisateurs peuvent produire en une nuit de nombreux outils d’assemblage médical alors qu’auparavant, plusieurs jours, voire des semaines, étaient nécessaires, si le processus d’usinage était sous-traité selon les méthodes de production traditionnelles. Grâce à la fabrication additive de Stratasys, les utilisateurs peuvent produire des outils de fabrication tels que des inserts de moule d’injection (une partie du processus de production des pièces finales par injection de matériau dans le moule). Les établissements de santé peuvent ainsi atteindre le début du stade de production pour des essais cliniques et produire de façon rentable des appareils médicaux autrefois très onéreux.

La société américaine de conception et de développement de produits Worrell constitue l’exemple parfait. Elle a accéléré le développement de ses appareils médicaux grâce à des moules d’injection imprimés en 3D. Selon les méthodes classiques, Worrell aurait dû attendre 4 à 6 semaines avant d’achever la fabrication d’un outil en aluminium. Avec la technologie d’impression 3D, ces délais ont été réduits à deux jours pour des petites séries. Les moules d’injection imprimés en 3D pour fabriquer le prototype de l’appareil ont permis à Worrell de réaliser une économie d’environ 70 %. De plus, ils permettent aux fabricants de créer des produits en petites quantités pour des essais cliniques et d’éviter ainsi les frais liés à la fabrication traditionnelle.

De quelle manière l’impression 3D contribue-t-elle au développement d’un nouveau produit ?

L’impression 3D permet aux médecins et aux ingénieurs d’explorer de nouvelles catégories de produits telles que les prothèses personnalisées. Pendant de nombreuses années, les prothèses étaient très rudimentaires en termes de conception et de fonctionnalité. Aujourd’hui, l’impression 3D marque le début d’une nouvelle ère de prothèses moins onéreuses et plus sophistiquées. Leur disponibilité a conduit les patients à demander différentes options, ce qui a entraîné une explosion d’accessoires médicaux et de prothèses personnalisées.

L’université de Central Florida (UCF) est un bon exemple de cette tendance. Quelques étudiants en ingénierie y ont conçu un bras robotique personnalisé pour un garçon de six ans né sans bras droit. Grâce à la technologie de fabrication additive de Stratasys, l’UCF a pu imprimer en 3D et réaliser rapidement plusieurs itérations avant de trouver la solution adéquate. Grâce à la réduction des délais d’exécution aidée par la technologie, l’équipe a été capable de produire un prototype de prothèse personnalisée pour l’adapter au corps de l’enfant, avant de fabriquer le bras robotique final, inspiré du super-héros Ironman.

Le processus de validation et de vérification représente une autre innovation de l’impression 3D dans le développement de nouveaux produits. Les développeurs d’appareils utilisent actuellement des animaux ou des cadavres pour tester les nouvelles conceptions et s’assurer que celles-ci fonctionnent correctement. Ces modèles présentent cependant certains inconvénients : l’anatomie et les tissus humains ne sont pas réalistes car ils ont été dégradés pendant le processus de préservation. L’utilisation de modèles développés à partir de scanners de l’anatomie d’un être humain vivant et de matériaux correspondant aux caractéristiques des tissus humains permet aux développeurs d’évaluer plus précisément la performance de leurs appareils et d’identifier les opportunités pour améliorer les processus. Le Jacobs Institute et l’université de Buffalo perfectionnent actuellement cette technique pour tester de nouveaux appareils vasculaires avec des partenaires industriels.

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De quelle manière l’utilisation de l’impression 3D améliore-t-elle les soins administrés au patient ?

De nombreux établissements de recherche utilisent notre technologie d’impression 3D pour mettre au point des méthodes innovantes afin d’améliorer le soin apporté au patient. Ces méthodes répondent d’ailleurs à l’une des questions les plus posées dans le milieu médical : « De quelle manière peut-on changer et améliorer les soins de santé ? » Replica 3DM, un spécialiste anglais de l’impression 3D liée au milieu médical, joue un rôle clé dans ce changement puisqu’il utilise la technologie d’impression 3D en tant que support visuel pendant une opération. En convertissant les IRM d’un patient en un modèle 3D, le crâne peut être imprimé dans un matériau transparent pour identifier la position de la tumeur dans le cerveau et déterminer des zones problématiques masquées, uniquement visibles aux rayons X. Les opérations très complexes voient ainsi leur taux de réussite augmenter et leur temps d’intervention diminuer. Les médecins peuvent également développer leurs compétences sur des modèles réalistes plutôt que sur de vrais patients, ce qui augmente la sécurité du patient et améliore les résultats finaux.

Le Centre pour l’intégration biomédicale et technologique (CBMTI), fabricant malaisien d’implants médicaux personnalisés, en est un parfait exemple. Ce client transforme les scanners des patients en modèles multimatériaux détaillés et imprimés en 3D qui simulent l’apparence et les textures de véritables parties du corps, et sont même capables de reproduire la tumeur spécifique d’un patient. L’utilisation de guides chirurgicaux imprimés en 3D permet à l’entreprise de reproduire la zone affectée du patient par l’impression 3D du crâne en résine dure, et de la tumeur en résine souple. Les artères et les veines sont ensuite imprimées dans des couleurs différentes et du liquide est utilisé pour reproduire une hémorragie. Depuis l’utilisation de la technologie de Stratasys, l’entreprise ne fait pas que former la prochaine génération de chirurgiens : elle augmente également sa productivité de 40 %.

Actuellement, un certain nombre d’hôpitaux utilisent l’impression 3D pour fabriquer des modèles allant de la reconstruction cranio-maxillo-faciale à la planification d’une intervention chirurgicale d’un cancer. La créativité de nos clients nous passionne. Nous suivons avec intérêt l’utilisation qu’ils font de cette technologie.

En quoi les besoins du domaine médical vont-ils faire évoluer les développements futurs ?

La technologie en 3D ne cesse de se développer, et les évolutions de l’utilisation des hôpitaux et des fabricants d’équipements médicaux permettent d’améliorer et de développer nos matériaux, tout particulièrement en termes de texture des tissus, un aspect essentiel dans la formation d’un médecin. D’ordinaire, cette formation aurait été réalisée sur des tissus de cadavres ou d’animaux, mais nos impressions 3D multimatériaux et multicouleurs ont révolutionné ces pratiques. Les chirurgiens prennent désormais un scanner du patient et impriment en 3D chaque veine, tissu et crâne du patient dans des matériaux et des couleurs différents afin de programmer l’opération et de former la prochaine génération de médecins.

Des avancées permanentes au niveau du développement des matériaux sont donc essentielles aux besoins du milieu médical ?

Oui, en effet. Le secteur médical est en constante évolution et la fidélité que nous entretenons avec nos clients nous fait évoluer. Les clients partagent avec nous leurs exigences concernant les matériaux et, grâce à eux, plus de 1 200 matériaux ont été mis sur le marché.

L’impression 3D a été créée il y a 25 ans ; il n’existait qu’un plastique fragile semi-transparent. Notre perpétuel investissement dans le développement des matériaux nous permet d’avoir aujourd’hui des matériaux aux textures réalistes et un thermoplastique technique réel. Pour l’industrie aérospatiale, nous avons des matériaux de haute performance classés FST tels que l’ULTEM 9085. Pour le secteur médical, nous avons un matériau biocompatible ainsi qu’un matériau qui comporte toute la traçabilité réglementaire pour être utilisé par les dispositifs médicaux.

L’impression 3D ouvre de nouvelles perspectives pour le domaine médical et je suis persuadé que de nombreux produits seront créés en utilisant cette technologie.

Crédit photos : Stratasys

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Gaëtan Lefèvre

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