Quais são as aplicações industriais de manufatura aditiva de quadris?
A manufatura aditiva de quadril, também conhecida como impressão 3D, está revolucionando a produção em todos os setores. Uma área em que a manufatura aditiva tem se mostrado particularmente promissora é a das próteses de quadril. A manufatura aditiva traz vários benefícios para as próteses de quadril, incluindo personalização, logística simplificada e geometrias inovadoras. Como resultado, as próteses de quadril aditivas estão ganhando força na tecnologia médica.
Introdução à manufatura aditiva para próteses de quadril
A manufatura aditiva constrói peças camada por camada usando materiais como metais, plásticos e cerâmicas. Isso permite a produção sob demanda sem a necessidade de moldes, matrizes ou ferramentas especiais. As peças podem ser fabricadas sob encomenda, simplificando a logística. A tecnologia aditiva também permite geometrias complexas que não podem ser feitas por meio de métodos subtrativos, como a usinagem CNC.
Para os quadris, o aditivo abre novas possibilidades. As articulações do quadril enfrentam requisitos mecânicos exigentes - elas precisam lidar com cargas cíclicas durante anos de uso. Os quadris produzidos de forma aditiva podem incorporar projetos avançados para melhorar a resistência, a flexibilidade e a longevidade. As técnicas aditivas mais populares para quadris incluem a fusão de leito de pó a laser (LPBF) de ligas de titânio e a fusão de feixe de elétrons (EBM) de cobalto-cromo. Esses métodos permitem estruturas porosas complexas e composições com graduação funcional.
A tecnologia aditiva está trazendo substituições de quadril com melhor desempenho e maior durabilidade. Vamos explorar algumas das principais aplicações industriais que estão impulsionando a adoção.
Implantes personalizados com base na anatomia do paciente
Um dos principais benefícios do aditivo é sua capacidade de produzir peças personalizadas de forma econômica. Isso é ideal para quadris, pois a anatomia de cada paciente é ligeiramente diferente. Os implantes personalizados combinam melhor com os contornos ósseos do paciente, melhorando a fixação de curto e longo prazo.
A LPBF é comumente usada para fabricar implantes de quadril de titânio específicos para cada paciente. As tomografias computadorizadas capturam o formato exato da articulação do paciente. Esses dados orientam o sistema aditivo a fundir o pó de titânio em um quadril com contorno perfeito para o indivíduo.
Os quadris personalizados minimizam o corte invasivo e as alterações durante a cirurgia. Com um ajuste preciso, mais do osso natural do paciente pode ser preservado. Os quadris personalizados também tendem a ter melhores resultados clínicos, por exemplo, na restauração do alinhamento natural da articulação.
Grandes fabricantes de dispositivos ortopédicos, como a Zimmer Biomet e a Stryker, começaram a oferecer componentes de substituição de quadril específicos para o paciente impressos em 3D. Espera-se que a demanda por implantes personalizados aumente à medida que os hospitais adotem softwares avançados de imagem e design.
Materiais com classificação funcional
Outra vantagem do aditivo é a construção de componentes a partir de materiais com graduação funcional (FGM). Os FGMs usam uma mudança gradual nas propriedades, como porosidade e composição da liga. Isso permite que os quadris atendam a diferentes necessidades estruturais - como absorção de choques, rigidez e crescimento ósseo - em uma única peça.
A LPBF pode misturar metais em estruturas complexas de FGM. Uma haste femoral pode ser compactada firmemente no pescoço para obter rigidez e, em seguida, passar para uma espuma porosa na interface óssea. Isso ajuda a distribuir as cargas e evita gradientes de rigidez perigosos. A EBM de cromo cobalto possibilitou quadris de FGM com flexibilidade e resistência que imitam o osso.
Os implantes de quadril FGM reproduzem melhor o desempenho do osso natural. Eles ajudam a evitar problemas como atrofia óssea e dor na coxa associados aos implantes tradicionais. Empresas ortopédicas como a Akahi estão lançando no mercado quadris de FGM produzidos por aditivos. Os médicos também estão fazendo experiências com estruturas de FGM em camadas feitas pela combinação de metais impressos diferentes.
Estruturas de rede e otimização topológica
A tecnologia aditiva permite novos designs radicais que são impossíveis de fabricar de outra forma. Um exemplo são as estruturas de rede celular com porosidade semelhante à dos ossos. As treliças apresentam uma excepcional relação resistência/peso e podem igualar a rigidez do tecido natural.
Para quadris, as hastes femorais em treliça e as cúpulas acetabulares promovem o crescimento ósseo para fixação biológica. A LPBF constrói estruturas impressas de titânio e espuma de tântalo ajustadas para a conformidade do fêmur. As redes também oferecem aos cirurgiões maior flexibilidade na personalização dos implantes durante a cirurgia. O excesso de material pode ser removido, mantendo-se as regiões de integração óssea.
O software de otimização de topologia está possibilitando melhorias adicionais no design de quadris. Os algoritmos iteram milhares de layouts para encontrar as propriedades mecânicas ideais. Isso resulta em formas biônicas orgânicas, adaptadas às forças e à estrutura óssea do paciente. Atualmente, várias empresas oferecem implantes de quadril otimizados por topologia com treliças de absorção de choque.
Fabricação no local para melhor gerenciamento de estoque
A tecnologia aditiva apresenta vantagens revolucionárias para a cadeia de suprimentos e o gerenciamento de estoque de quadris. Com a fabricação tradicional, os fabricantes de dispositivos produzem uma variedade de tamanhos prontos para uso que devem ser estocados globalmente. Isso resulta em custos substanciais de estoque.
A tecnologia aditiva permite a produção de quadris just-in-time e sob demanda perto de hospitais. As impressoras podem ser instaladas no local para fabricar implantes à medida que os procedimentos são agendados. Os cirurgiões ganham mais flexibilidade no dimensionamento. Os hospitais também reduzem as despesas gerais com pedidos, remessas e descarte de estoque de implantes não utilizados.
Há um interesse crescente em laboratórios de impressão 3D baseados em hospitais para fornecer dispositivos específicos para cada paciente. Em 2021, a Zimmer Biomet adquiriu a Additive Orthopaedics, que fornece serviços de fabricação no local em todo o mundo. Outras impressoras médicas, como a Jabil’s Health, são projetadas especificamente para hospitais. Os implantes impressos localmente estão ajudando a transformar a cirurgia de substituição de quadril.
Fabricação aditiva de instrumentos e guias cirúrgicos
Além dos componentes do quadril em si, o aditivo está sendo aplicado para melhorar a entrega cirúrgica. A LPBF pode produzir instrumentação sob medida, como raspadores e alargadores, de acordo com a anatomia do paciente. Guias específicas para cada paciente são impressas a partir de pó de náilon, com ranhuras e aberturas projetadas a partir de dados de escaneamento.
As guias funcionam como estênceis para mostrar com precisão onde os cortes ósseos e os orifícios de perfuração devem se alinhar. Isso traduz o plano de implante digital diretamente para a sala de cirurgia para uma execução precisa. Os guias demonstraram maior precisão na substituição do quadril e reduziram o tempo de cirurgia.
Os kits de instrumentos aditivos permitem maior flexibilidade de procedimento para os cirurgiões. Guias e ferramentas exclusivas ajudam os cirurgiões a obter o posicionamento adequado do implante em espaços estreitos da articulação. A impressão 3D também permite que os hospitais produzam instrumentos sob demanda de forma econômica. Esses benefícios estão tornando o ferramental aditivo uma parte essencial da cirurgia de quadril.
Novas ligas de cromo cobalto
A maioria das próteses de quadril consiste em ligas de cobalto-cromo ou titânio unidas a um copo de plástico de polietileno de peso molecular ultra-alto. Os engenheiros estão desenvolvendo novos materiais avançados de CoCr adaptados às necessidades de aditivos.
Um líder é a liga de quadril BIOCOR da Carpenter’. Otimizada para EBM, a BIOCOR apresenta uma microestrutura fina com alta resistência à fadiga. Isso permite melhorias no projeto, como paredes finas e treliças, mantendo a vida útil do implante de mais de 20 anos. A BIOCOR obteve grande sucesso clínico e aprovação da FDA.
Outras empresas estão trazendo novos compostos para a produção de quadril aditivo. Por exemplo, as otimizações do Zimaloy CoCr com nióbio melhoram a resistência ao desgaste em 30% em relação às ligas convencionais. O aditivo torna econômica a incorporação desses elementos personalizados em concentrações difíceis de serem obtidas por outros métodos.
Reimaginando a Mobilidade e as Articulações das Articulações
Olhando para as próximas décadas, o aditivo abre a possibilidade de projetos de quadril de última geração. Os avanços podem trazer implantes que proporcionam um ambiente articular mais natural e saudável a longo prazo.
Uma rota são as hastes modulares caneladas com micromovimentos para transmitir melhor as cargas ao osso. As estruturas compatíveis desacoplam as indesejáveis interfaces rígidas entre o implante e o tecido. Os copos de espuma articulados para quadril também podem reconstruir a película de fluido lubrificante da cartilagem natural. Outros materiais e desenvolvimentos de simulação podem permitir que as articulações imitem a verdadeira função musculoesquelética.
Embora ainda conceitual, o aditivo é o método de fabricação que faltava para repensar o que um quadril artificial pode alcançar. Novos paradigmas de restauração de articulações estão no horizonte.
Facilitando a pesquisa e o desenvolvimento
Um dos principais benefícios da tecnologia aditiva é sua capacidade de iterar rapidamente projetos e imprimir protótipos sob demanda. Isso é uma vantagem para a pesquisa e a educação ortopédica. Os engenheiros podem testar dezenas de conceitos de quadril e obter feedback prático dos cirurgiões.
As impressoras LPBF produzem com eficiência geometrias de teste de metal que simulam totalmente o desempenho do implante. Os protótipos podem ser testados em cadáveres ou modelos de espuma óssea antes de investir em ferramentas. Para laboratórios acadêmicos, o aditivo permite pesquisas exploratórias de baixo custo.
A agilidade da tecnologia aditiva está acelerando os avanços dos implantes de quadril. O que antes levava meses para se deslocar entre CAD e CNC pode acontecer em dias usando uma única impressora. Procure por vínculos cada vez maiores entre universidades e fabricantes de dispositivos para impulsionar inovações impressas em 3D na cirurgia de quadril.
Desafios da manufatura aditiva para implantes de quadril
Embora promissor, o aditivo enfrenta obstáculos técnicos para sua adoção plena na cirurgia de quadril:
- $increased-precision$ - A precisão dimensional e o acabamento da superfície devem ser aprimorados para que o aditivo atenda aos padrões dos dispositivos ortopédicos. Às vezes, são necessários controles de processo mais rígidos e pós-usinagem.
- $desenvolvimento de materiais - Devem ser introduzidas ligas mais validadas e específicas para o quadril. Elas precisam de composições e propriedades personalizadas para métodos aditivos.
- Conformidade regulatória Os implantes produzidos por aditivos requerem dados de testes e estudos clínicos rigorosos para obter aprovação regulatória e confiança na adoção.
- $design-expertise$ A maximização dos benefícios do aditivo depende da experiência em design para AM. As empresas de ortopedia precisarão de engenheiros e analistas de processos aditivos em sua equipe.
O futuro da manufatura aditiva para quadris
A manufatura aditiva está conquistando cada vez mais um papel importante na cirurgia de substituição do quadril. Todos os sinais apontam para uma adoção crescente à medida que os refinamentos técnicos continuam. As melhorias na repetibilidade, na qualidade e nos materiais permitirão que a manufatura aditiva interrompa totalmente o projeto, o estoque e a entrega de implantes.
No futuro, a maioria dos componentes do quadril será personalizada e impressa em 3D sob encomenda. Os hospitais geralmente instalarão laboratórios internos de produção de implantes, aproveitando até mesmo os sistemas de impressão móvel. A tecnologia aditiva se expandirá dos quadris para outras substituições de articulações e implantes espinhais. O rendimento melhorará à medida que as impressoras 3D de metal ficarem maiores e mais rápidas.
Em geral, o aditivo apresenta um enorme potencial para substituições de quadril com melhor desempenho, maior durabilidade e mais acessíveis. A impressão 3D está trazendo a próxima onda de inovação para restaurar a função articular natural e sem dor. O futuro parece mais promissor para milhões de pessoas em todo o mundo que sofrem de artrite e deterioração do quadril.
Perguntas frequentes
Quais são os principais benefícios da impressão 3D de implantes de quadril?
Os principais benefícios da manufatura aditiva para implantes de quadril são:
- Personalização para corresponder à anatomia e aos contornos ósseos do paciente
- Capacidade de criar estruturas e topologias complexas de treliça
- Fabricação descentralizada e sob demanda em hospitais
- Melhoria do gerenciamento de estoque sem excesso de estoque de tamanhos de implantes
- Novas ligas e composições de materiais avançados
- Iteração de design mais rápida por meio de prototipagem rápida
Qual é a precisão dos implantes de quadril produzidos de forma aditiva?
A precisão dimensional dos implantes de quadril de metal impresso agora é comparável à fabricação convencional. O pós-processamento, como a usinagem CNC, melhora ainda mais a tolerância e o acabamento. As resoluções atuais da impressora, de 30 a 50 mícrons, permitem que os implantes atendam aos padrões ortopédicos.
Os implantes de quadril impressos em 3D são aprovados pela FDA?
Vários componentes de substituição de quadril fabricados de forma aditiva receberam autorização da FDA 510(k). Exemplos notáveis são os quadris personalizados de Tritanium da Zimmer Biomet, o sistema de quadril Tritanium C da Stryker e os implantes Jazz da Adler Ortho. Espera-se que mais aprovações sejam feitas à medida que a qualidade dos aditivos e os dados continuem melhorando.
O seguro cobre quadris personalizados impressos em 3D?
Muitos provedores de seguro cobrem quadris compatíveis com o paciente produzidos por impressão 3D em metal. Eles ainda são considerados um implante especializado, portanto, planos com franquias mais altas podem acarretar mais despesas do próprio bolso. À medida que a adoção aumenta, espera-se que a cobertura se torne rotineira, assim como os componentes de quadril convencionais "prontos para uso".
É possível fabricar quadris híbridos de metal/polímero impressos em 3D?
Sim, as principais empresas de ortopedia estão desenvolvendo ativamente processos aditivos híbridos para fabricar implantes de quadril de metal sobre plástico. A impressão direta de metal para a haste femoral é combinada com a moldagem por injeção de um revestimento de plástico impresso para o copo. Isso permite a integração óssea no lado da haste. A fabricação híbrida tem o objetivo de interromper os métodos convencionais de construção de quadris.
Quanto custa uma prótese de quadril impressa em 3D?
O preço atual de uma substituição total de quadril impressa em 3D é, em média, de US$ 5.000 a US$ 7.500 nos Estados Unidos. Esse valor é 15 a 20% mais alto do que o de um implante convencional. No entanto, benefícios como cirurgia mais rápida, menos instrumentos e nenhum desperdício de estoque ajudam a compensar o prêmio. Com o aumento da adoção, o preço dos implantes impressos deverá alcançar a paridade com os métodos tradicionais.