Quelles sont les applications industrielles de la Fabrication additive pour les hanches?
La fabrication additive de la hanche, également connue sous le nom d'impression 3D, est en train de révolutionner la production dans tous les secteurs. L'un des domaines où la fabrication additive s'est révélée particulièrement prometteuse est celui des prothèses de hanche. La fabrication additive apporte plusieurs avantages aux prothèses de hanche, notamment la personnalisation, une logistique simplifiée et des géométries innovantes. Par conséquent, les prothèses de hanche additives gagnent du terrain dans le domaine de la technologie médicale.
Introduction à la fabrication additive pour les prothèses de hanche
La fabrication additive permet de construire des pièces couche par couche à l'aide de matériaux tels que les métaux, les plastiques et les céramiques. Elle permet une production à la demande sans avoir recours à des moules, des matrices ou un outillage spécial. Les pièces peuvent être fabriquées sur commande, ce qui simplifie la logistique. La technologie additive permet également de réaliser des géométries complexes qui ne peuvent pas être produites par des méthodes soustractives telles que l'usinage CNC.
Pour les hanches, la fabrication additive ouvre de nouvelles possibilités. Les articulations de la hanche sont soumises à des exigences mécaniques strictes – elles doivent supporter des charges cycliques pendant des années d'utilisation. Les hanches produites de manière additive peuvent intégrer des conceptions avancées pour améliorer la résistance, la flexibilité et la longévité. Les techniques additives les plus répandues pour les hanches sont la fusion laser sur lit de poudre (LPBF) des alliages de titane et la fusion par faisceau d'électrons (EBM) du cobalt-chrome. Ces méthodes permettent d'obtenir des structures poreuses complexes et des compositions fonctionnellement graduées.
La technologie additive permet de fabriquer des prothèses de hanche plus performantes et plus durables. Examinons quelques-unes des applications industrielles clés qui favorisent l'adoption de cette technologie.
Implants personnalisés en fonction de l'anatomie du patient
L'un des principaux avantages de la fabrication additive est sa capacité à produire de manière économique des pièces personnalisées. C'est idéal pour les hanches, car l'anatomie de chaque patient est légèrement différente. Les implants sur mesure s'adaptent mieux aux contours osseux du patient, ce qui améliore la fixation à court et à long terme.
Le LPBF est couramment utilisé pour fabriquer des implants de hanche en titane spécifiques au patient. Les tomodensitogrammes capturent la forme exacte de l'articulation d'un patient. Ces données guident le système additif pour fusionner la poudre de titane en une hanche parfaitement adaptée à l'individu.
Les hanches sur mesure minimisent le rasage et les modifications invasives pendant l'opération. Grâce à un ajustement précis, une plus grande partie de l'os naturel du patient peut être préservée. Les hanches personnalisées ont également tendance à donner de meilleurs résultats cliniques, par exemple en rétablissant l'alignement naturel de l'articulation.
De grands fabricants d'appareils orthopédiques comme Zimmer Biomet et Stryker ont commencé à proposer des composants de prothèses de hanche spécifiques au patient imprimés en 3D. La demande d'implants sur mesure devrait augmenter à mesure que les hôpitaux adoptent des logiciels d'imagerie et de conception avancés.
Matériaux à gradation fonctionnelle
Un autre avantage de l'additif est la construction de composants à partir de matériaux à gradation fonctionnelle (FGM). Les matériaux à gradation fonctionnelle utilisent un changement progressif des propriétés telles que la porosité et la composition de l'alliage. Cela permet aux hanches de répondre à différents besoins structurels – ; comme l'absorption des chocs, la rigidité et la croissance osseuse – ; en une seule pièce.
Le LPBF peut mélanger des métaux dans des structures FGM complexes. Une tige fémorale peut être très serrée au niveau du col pour assurer la rigidité, puis passer à une mousse poreuse à l'interface avec l'os. Cela permet de répartir les charges et d'éviter les gradients de rigidité dangereux. L'EBM du chrome cobalt a permis d'obtenir des hanches FGM dont la flexibilité et la résistance imitent celles des os.
Les implants de hanche FGM reproduisent mieux les performances de l'os naturel. Ils permettent d'éviter des problèmes tels que l'atrophie osseuse et les douleurs à la cuisse associées aux implants traditionnels. Des entreprises orthopédiques comme Akahi mettent sur le marché des hanches FGM produites par procédé additif. Les cliniciens expérimentent également des structures FGM en couches fabriquées en combinant des métaux imprimés dissemblables.
Structures de treillis et optimisation topologique
L'additif ouvre la voie à des conceptions radicalement nouvelles, impossibles à fabriquer autrement. Les structures cellulaires en treillis dotées d'une porosité semblable à celle des os en sont un exemple. Les treillis présentent un rapport poids/résistance exceptionnel et peuvent égaler la rigidité des tissus naturels.
Pour les hanches, les tiges fémorales en treillis et les cupules acétabulaires favorisent la croissance osseuse pour une fixation biologique. LPBF construit des structures imprimées en titane et en mousse de tantale adaptées à la compliance fémorale. Les treillis offrent également aux chirurgiens une plus grande souplesse dans la personnalisation des implants pendant l'opération. L'excès de matériau peut être enlevé tout en conservant les régions d'intégration osseuse.
Les logiciels d'optimisation topologique permettent d'améliorer encore la conception des hanches. Des algorithmes itèrent des milliers de configurations pour trouver les propriétés mécaniques idéales. Il en résulte des formes organiques et bioniques adaptées aux forces du patient et à la structure osseuse. Plusieurs entreprises proposent aujourd'hui des implants de hanche optimisés sur le plan topologique et dotés de treillis amortisseurs.
Fabrication sur site pour une meilleure gestion des stocks
La fabrication additive présente des avantages qui changent la donne pour la chaîne d'approvisionnement et la gestion des stocks de hanches. Avec la fabrication traditionnelle, les fabricants de dispositifs produisent une gamme de tailles standard qui doivent être stockées dans le monde entier. Cela entraîne des coûts d'inventaire considérables.
La technologie additive permet de produire des prothèses de hanche en flux tendu, à la demande, à proximité des hôpitaux. Des imprimantes peuvent être installées sur place pour fabriquer des implants au fur et à mesure que les interventions sont programmées. Les chirurgiens bénéficient d'une plus grande souplesse dans le choix de la taille. Les hôpitaux réduisent également les frais généraux liés à la commande, à l'expédition et à la mise au rebut des stocks d'implants inutilisés.
Les laboratoires d'impression 3D installés dans les hôpitaux pour fournir des dispositifs spécifiques aux patients suscitent un intérêt croissant. En 2021, Zimmer Biomet a acquis Additive Orthopaedics, qui fournit des services de fabrication sur site dans le monde entier. D'autres imprimantes médicales, comme Jabil Health, sont spécialement conçues pour les hôpitaux. Les implants imprimés localement contribuent à transformer la chirurgie de remplacement de la hanche.
Fabrication additive d'instruments et de guides chirurgicaux
Au-delà des composants de la hanche eux-mêmes, la fabrication additive est appliquée pour améliorer l'exécution des opérations chirurgicales. LPBF peut produire des instruments sur mesure tels que des râpes et des alésoirs adaptés à l’anatomie du patient. Les guides spécifiques au patient sont imprimés à partir de poudre de nylon, avec des fentes et des ouvertures conçues à partir de données de scannage.
Les guides agissent comme des pochoirs pour montrer précisément où les coupes osseuses et les trous de forage doivent s'aligner. Le plan d'implantation numérique est ainsi directement transmis à la salle d'opération pour une exécution précise. Les guides ont permis d'améliorer la précision des prothèses de hanche et de réduire les temps d'intervention.
Les kits d'instruments additifs offrent aux chirurgiens une plus grande souplesse d'intervention. Des guides et des outils uniques aident les chirurgiens à positionner correctement les implants dans les espaces articulaires étroits. L'impression 3D permet également aux hôpitaux de produire des instruments à la demande de manière rentable. Ces avantages font de l'outillage additif un élément essentiel de la chirurgie de la hanche.
Nouveaux alliages chrome cobalt
La plupart des prothèses de hanche sont constituées d'alliages de chrome cobalt ou de titane reliés à une cupule en plastique de polyéthylène de poids moléculaire très élevé. Les ingénieurs développent de nouveaux matériaux avancés en CoCr adaptés aux besoins des additifs.
L'alliage de hanche BIOCOR de Carpenter est l'un des meilleurs. Optimisé pour l'EBM, BIOCOR présente une microstructure fine avec une grande résistance à la fatigue. Cela permet d'améliorer la conception, comme les parois minces et les treillis, tout en conservant une durée de vie de l'implant de plus de 20 ans. BIOCOR a connu un grand succès clinique et a obtenu l'autorisation de la FDA.
D'autres entreprises introduisent de nouveaux composites dans la production additive. Par exemple, l'optimisation du Zimaloy CoCr avec du niobium améliore la résistance à l'usure de 30 % par rapport aux alliages conventionnels. La fabrication additive permet d'incorporer de manière économique des éléments sur mesure à des concentrations difficiles à atteindre avec d'autres méthodes.
Réimaginer la mobilité et l'articulation des articulations
Pour les décennies à venir, la technologie additive ouvre la voie à la conception de hanches de nouvelle génération. Ces progrès pourraient déboucher sur des implants offrant un environnement articulaire plus naturel et plus sain à long terme.
Les tiges modulaires cannelées dotées de micro-mouvements pour mieux transmettre les charges à l'os constituent l'une des voies possibles. Les structures souples découplent les interfaces rigides indésirables entre l'implant et les tissus. Les cupules de hanche en mousse articulée peuvent également reconstituer le film fluide lubrifiant du cartilage naturel. D'autres développements en matière de matériaux et de simulation pourraient permettre de créer des articulations imitant la véritable fonction musculo-squelettique.
Bien qu'encore conceptuelle, la fabrication additive est la méthode de fabrication manquante nécessaire pour repenser ce qu'une hanche artificielle peut réaliser. De nouveaux paradigmes de restauration des articulations se profilent à l'horizon.
Faciliter la recherche et le développement
L'un des principaux avantages de la fabrication additive est sa capacité à faire évoluer rapidement les conceptions et à imprimer des prototypes à la demande. C'est une aubaine pour la recherche et l'enseignement orthopédiques. Les ingénieurs peuvent tester des dizaines de concepts de hanche et obtenir des réactions concrètes de la part des chirurgiens.
Les imprimantes LPBF produisent efficacement des géométries d'essai métalliques qui simulent entièrement les performances de l'implant. Les prototypes peuvent être testés sur des cadavres ou des modèles d'os en mousse avant d'investir dans l'outillage. Pour les laboratoires universitaires, la fabrication additive permet de mener des recherches exploratoires à faible coût.
L'agilité de la technologie additive accélère les progrès en matière d'implants de hanche. Ce qui prenait des mois pour passer de la CAO à la CNC peut se faire en quelques jours à l'aide d'une seule imprimante. Il faut s'attendre à un renforcement des liens entre les universités et les fabricants d'appareils pour favoriser les innovations imprimées en 3D dans le domaine de la chirurgie de la hanche.
Défis de la fabrication additive pour les implants de hanche
Bien que prometteuse, la technique additive se heurte à des obstacles techniques avant d'être pleinement adoptée pour la chirurgie de la hanche :
- Précision accrue – ; La précision dimensionnelle et l'état de surface doivent être améliorés pour que l'additif réponde aux normes des appareils orthopédiques. Des contrôles de processus plus stricts et un post-usinage sont parfois nécessaires.
- Développement des matériaux – ; Des alliages plus validés et spécifiques à la hanche doivent être introduits. Ces alliages nécessitent des compositions et des propriétés adaptées aux méthodes additives.
- Conformité réglementaire – ; Les implants produits de manière additive nécessitent des données d'essai et des études cliniques rigoureuses pour obtenir l'approbation réglementaire et la confiance des utilisateurs.
- $design-expertise – ; L'optimisation des avantages de la fabrication additive repose sur l'expérience de la conception pour l'AM. Les entreprises orthopédiques auront besoin d'ingénieurs et d'analystes en procédés additifs au sein de leur personnel.
L'avenir de la fabrication additive pour les hanches
La fabrication additive se taille progressivement un rôle important dans la chirurgie de remplacement de la hanche. Tout indique qu'elle sera de plus en plus adoptée au fur et à mesure que les perfectionnements techniques se poursuivront. Les améliorations en matière de répétabilité, de qualité et de matériaux permettront à la fabrication additive de bouleverser la conception, l'inventaire et la livraison des implants.
À l'avenir, la plupart des composants de la hanche seront personnalisés et imprimés en 3D sur commande. Les hôpitaux installeront couramment des laboratoires de production d'implants en interne, en utilisant même des systèmes d'impression mobiles. La technologie additive s'étendra des hanches aux autres prothèses articulaires et aux implants rachidiens. Le rendement s'améliorera à mesure que les imprimantes 3D en métal deviendront plus grandes et plus rapides.
Dans l'ensemble, l'impression additive présente un potentiel énorme pour des prothèses de hanche plus performantes, plus durables et plus accessibles. L'impression 3D apporte la prochaine vague d'innovation pour restaurer une fonction articulaire naturelle et indolore. L'avenir semble plus prometteur pour les millions de personnes dans le monde qui souffrent d'arthrite et de détérioration de la hanche.
FAQ
Quels sont les principaux avantages de l'impression 3D des implants de la hanche ?
Les principaux avantages de la fabrication additive pour les implants de hanche sont les suivants :
- Personnalisation en fonction de l'anatomie du patient et des contours de l'os
- Capacité à créer des structures et des topologies complexes en treillis
- Fabrication à la demande et décentralisée dans les hôpitaux
- Amélioration de la gestion des stocks sans surstockage de tailles d'implants
- Nouveaux alliages et compositions de matériaux avancés
- Itération plus rapide de la conception grâce au prototypage rapide
Quelle est la précision des implants de hanche fabriqués de manière additive ?
La précision dimensionnelle des implants de hanche en métal imprimé est désormais comparable à la fabrication conventionnelle. Le post-traitement, comme l'usinage CNC, améliore encore la tolérance et la finition. Les résolutions actuelles des imprimantes, de l'ordre de 30 à 50 microns, permettent de fabriquer des implants répondant aux normes orthopédiques.
Les implants de hanche imprimés en 3D sont-ils approuvés par la FDA ?
Plusieurs composants de prothèses de hanche fabriqués de manière additive ont reçu l'autorisation 510(k) de la FDA. Il s'agit notamment des hanches personnalisées en Tritanium de Zimmer Biomet, du système de hanche en Tritanium C de Stryker et des implants Jazz d'Adler Ortho. D'autres approbations sont attendues, car la qualité des additifs et les données continuent de s'améliorer.
L'assurance couvre-t-elle les hanches personnalisées imprimées en 3D ?
De nombreuses compagnies d'assurance couvrent les hanches adaptées au patient et produites par impression 3D en métal. Elles sont encore considérées comme un implant spécialisé, de sorte que les régimes à franchise élevée peuvent entraîner des frais supplémentaires. Au fur et à mesure de l'adoption, la couverture devrait devenir routinière, au même titre que les composants de hanche conventionnels "prêts à l'emploi".
Peut-on fabriquer des hanches hybrides métal/polymère imprimées en 3D ?
Oui, les principales entreprises orthopédiques développent activement des processus additifs hybrides pour fabriquer des implants de hanche métal sur plastique. L'impression directe de métal pour la tige fémorale s'associe au moulage par injection d'un revêtement de cupule en plastique imprimé. Cela permet d'obtenir une intégration osseuse du côté de la tige. La fabrication hybride vise à bouleverser les méthodes conventionnelles de construction de la hanche.
Combien coûte une prothèse de hanche imprimée en 3D ?
Le prix actuel d'une prothèse totale de hanche imprimée en 3D est en moyenne de 5000 à 7500 dollars aux États-Unis. Ce prix est supérieur de 15 à 20 % à celui d'un implant conventionnel. Cependant, des avantages tels qu'une chirurgie plus rapide, moins d'instruments et pas de stocks gaspillés aident à compenser ce surcoût. Au fur et à mesure de l'adoption, le prix des implants imprimés devrait atteindre la parité avec les méthodes traditionnelles.