Stampa 3D Polyjet di materiali che imitano i tessuti: in che modo il miocardio sintetico stampato in 3D può replicare le proprietà meccaniche del miocardio organico

Medtronic: confronto tra i materiali di stampa 3D di anatomia digitale Stratasys e il miocardio suino

A ottobre, Stratasys ha rilasciato la sua soluzione Digital Anatomy , che combina tre materiali con la sua stampante J750 e il software personalizzato all’interno di GrabCAD in modo che gli utenti possano trasformare le scansioni 3D in parti anatomiche stampate in 3D per scopi di formazione e pianificazione chirurgica. Questa soluzione è estremamente utile, poiché i materiali di Digital Anatomy imitano molto da vicino le proprietà meccaniche dei tessuti umani.

I ricercatori Leah Severseike, Vania Lee, Taycia Brandon, Chris Bakken e Varun Bhatia della società di dispositivi medici Medtronic volevano valutare i materiali di anatomia digitale che imitavano il tessuto miocardico; il miocardio, costituito da cellule muscolari del cuore, si trova tra lo strato esterno della parete del cuore (epicardio) e lo strato interno (endocardio).

Hanno scritto il documento “Stampa 3D Polyjet di materiali che imitano i tessuti: in che modo il miocardio sintetico stampato in 3D può replicare le proprietà meccaniche del miocardio organico? “Nel tentativo di quantificare e confrontare le proprietà meccaniche specifiche dell’applicazione dei materiali Digital Anatomy con il tessuto suino equivalente.

“Convenzionalmente, le proprietà dei materiali dei modelli anatomici stampati in 3D sono state spesso simili solo nella forma e non nella risposta meccanica rispetto al tessuto biologico”, ha scritto il team.

“Il lavoro è stato svolto per valutare il miocardio Digital Anatomy sotto carico assiale per il confronto con il miocardio suino per quanto riguarda la perforazione, la conformità, la sutura e le prestazioni di taglio.”

Hanno scelto il tessuto miocardico suino per la sua disponibilità e somiglianza con il tessuto umano e hanno ottenuto i cuori da una struttura di ricerca preclinica e da un macellaio. Sono stati dissezionati per isolare le porzioni mostrate nell’immagine sopra.

Campione ritagliato dall’appendice atriale destra.

Campioni di prova dei cinque materiali di Anatomia digitale miocardica sono stati stampati in batch nel formato di osso di cane di tipo IV e sottoposti a prove di trazione, conformità, puntura e sutura, oltre a confronti qualitativi sul taglio.

“In generale, questi materiali Stratasys hanno vari gradi di conformità e sono stampati come un guscio di materiale Agilus (durezza = 30A) riempito con una miscela di TissueMatrix (durezza = 00A) e Agilus in un modello di riempimento della struttura tiroidea, che è variato per cambiare la conformità “, ha scritto il team.

I risultati delle prove di trazione hanno mostrato che i moduli dei materiali stampati in 3D variavano da 0,262 a 0,536 MPa. Poiché erano “altamente ripetibili”, i ricercatori sono molto fiduciosi che i campioni si comporteranno allo stesso modo ogni volta.

Il miocardio Digital Anatomy era o più rigido, o nella stessa gamma, del miocardio suino in termini di test di conformità, che “analizzava fino ai primi 10 mm oltre il precarico” dai test di puntura. Tuttavia, quando si è trattato di test di sutura e puntura, i campioni di suino hanno ottenuto risultati migliori.

Al fine di imitare le condizioni al contorno nel cuore, sono stati eseguiti test di puntura su campioni di tessuto di diametro di due pollici, che sono stati fissati su fori di un pollice. Myocardium 1, 4 e 5 di Digital Anatomy hanno ottenuto i risultati più diversi e quindi sono stati nuovamente testati per “quantificare le loro proprietà meccaniche”.

Le suture avevano forze di attrito più elevate durante l’inserimento e il taglio dell’ago e si strappavano più facilmente attraverso il materiale stampato in 3D, il che dimostrava che il tessuto suino era più forte; tuttavia, ciò era in parte dovuto alla configurazione della sutura che doveva aiutare a prevenire lo strappo preliminare. Sia il mio suino che il digitale Anatomy myocardium avevano meccanismi di fallimento simili, vedendo la delaminazione prima che lo strato finale del campione fosse perforato. La rigidità dei vari materiali di Anatomia digitale variava, ma tutti erano molto più rigidi del miocardio suino.

In generale, anche con le differenze, quattro revisori esperti che hanno contribuito allo studio hanno stabilito che il miocardio Digital Anatomy stampato in 3D ha avuto alcuni confronti positivi con la versione suina.

“Nonostante alcune limitazioni, il materiale Anatomia digitale del miocardio può essere utilizzato per configurare strutture con proprietà meccaniche simili al miocardio suino in modo ripetibile, rendendolo un prezioso strumento di ricerca”, hanno concluso i ricercatori.

“I revisori hanno ritenuto che il miocardio stampato dovesse essere più conforme, più lubrificante e più duro per imitare il vero miocardio. Dissero che la sensazione di Digital Anatomy si stava avvicinando al vero miocardio ma mancava di conformità. Hanno anche pensato che una migliore lubrificazione avrebbe ridotto la resistenza aggiuntiva sperimentata durante la sutura e il taglio e hanno affermato che i materiali devono essere più duri per adattarsi a tecniche di sutura e forze di tenuta più realistiche. Tuttavia, per le applicazioni che non richiedono taglio o sutura hanno ritenuto che la conformità di Digital Anatomy potesse essere una risorsa utile per i test preliminari su banco. “