Pesquisadores do Universidade de Minnesota e o Universidade de Washington desenvolveram um método de impressão 3D que duplicate a mecânica direcional do tecido humano, trazendo maior realismo à simulação médica e ao treinamento cirúrgico.
Os tecidos humanos são anisotrópicos, o que significa que sua rigidez e elasticidade variam de acordo com a direção devido ao alinhamento das fibras de colágeno e elastina. Os modelos convencionais de silicone fundido não podem imitar esse comportamento, então a equipe do professor de engenharia mecânica Michael McAlpine da Universidade de Minnesota desenvolveu um método de impressão 3D que introduz anisotropia controlando a geometria do filamento na escala de voxel.
Ao ajustar a altura da linha de impressão, o espaçamento e a composição do materials, eles criaram estruturas com taxas de rigidez correspondentes ao tecido actual. Publicado em Avanços da Ciênciaum modelo matemático previu com precisão esses efeitos, e os testes confirmaram a anisotropia ajustável comparável à da pele humana, excedendo 1,5:1 ao longo da direção da fibra impressa.
Modelo de pele anisotrópica para treinamento cirúrgico
Para demonstrar o método, os pesquisadores produziram um modelo impresso em 3D de tecido do pescoço humano usado para treinamento de cricotireotomia, um procedimento de emergência de alto risco nas vias aéreas. Conhecido como “disco de pele cric”, o modelo consiste em tecidos de silicone em camadas que representam a pele e as regiões subcutâneas, com comportamento mecânico adaptado para replicar as propriedades anisotrópicas do tecido do pescoço humano.
O caminho de impressão para cada camada foi gerado por meio de um algoritmo personalizado que orientou as linhas de impressão de acordo com as direções medidas das fibras de colágeno no pescoço, derivadas de tomografias de coerência óptica sensíveis à polarização. Isto garantiu que a resposta mecânica native do simulador impresso correspondesse à estrutura actual do tecido.
O sistema utilizou uma impressora de extrusão padrão baseada em pórtico equipada com uma bomba de dosagem volumétrica para garantir uma deposição consistente do filamento. Os ajustes na posição do bico compensaram a curvatura da superfície não plana, mantendo a deposição precisa na geometria hiperbólica do modelo.
Esses refinamentos permitiram a produção de simuladores mecanicamente precisos, específicos do paciente, sem a necessidade de sistemas robóticos multieixos.
Para aumentar ainda mais o realismo, os pesquisadores integraram microcápsulas cheias de líquido no tecido impresso para reproduzir o sangramento quando cortado. As cápsulas foram fabricadas usando um processo microfluídico de dupla emulsão, envolvendo corante vermelho à base de água dentro de um fino invólucro de poliestireno.
Misturadas em um hidrogel afinador, as cápsulas foram depositadas entre a pele impressa e as camadas subcutâneas e posteriormente seladas. Ao serem comprimidas ou incisadas, as cápsulas rompem-se e liberam o líquido colorido, simulando o fluxo de sangue. As cápsulas permaneceram estáveis durante semanas sem vazamento e puderam ser adaptadas em tamanho e resistência à ruptura através de ajustes de vazão durante a fabricação.
Um estudo comparativo de aceitabilidade foi realizado com paramédicos da organização King County Medic One, em Seattle. Os participantes realizaram cricotirotomias em discos de silicone fundidos convencionais e nas versões anisotrópicas impressas em 3D.
As respostas da pesquisa indicaram que os modelos impressos em 3D forneceram uma resposta tátil mais realista ao palpar e cortar, bem como um comportamento de sangramento mais convincente. As diferenças foram estatisticamente significativas, principalmente nas categorias relacionadas à sensação da pele e ao realismo da incisão.
O processo é compatível com {hardware} e materiais de impressão 3D padrão, oferecendo escalabilidade para aplicações de treinamento médico.
Como a anisotropia é alcançada através da geometria da impressão, em vez de fibras incorporadas ou compósitos complexos, o método evita aumentos na rigidez que limitaram os projetos anteriores. A mesma estrutura poderia ser adaptada a outros modelos de órgãos, permitindo o ajuste direcional das propriedades mecânicas para corresponder às dos tecidos cardíaco, vascular ou músculo-esquelético.
Expandindo a impressão 3D em simulação médica
Como um caso de uso clássico, a impressão 3D ajuda a criar modelos de treinamento anatômica e mecanicamente precisos para diversas cirurgias e a desenvolver plataformas de teste realistas para dispositivos médicos que exigem resposta mecânica precisa.
Em 2021, fabricante de modelos anatômicos médicos Biomodex lançou um Sistema de treinamento impresso em 3D para punção transeptal (TP), projetado para replicar a geometria, a sensação e o suggestions tátil do tecido cardíaco actual, permanecendo compatível com o ultrassom. O modelo consistia em uma estrutura cardíaca reutilizável e um cartucho de septo descartável que podia ser perfurado durante a prática.
Usando seus processos proprietários INVIVOTECH e ECHOTECH, a Biomodex imprimiu gêmeos anatômicos multimateriais que imitavam as propriedades mecânicas e acústicas do tecido humano. O sistema permitiu que os eletrofisiologistas treinassem com biomecânica realista e orientação por imagem, encurtando as curvas de aprendizado para esse procedimento cardíaco complexo.
Pesquisadores do Centro de Pesquisa de Letras Finas da Universidade do Oeste da Inglaterra desenvolvido Simuladores de órgãos impressos em 3D que reproduziu a aparência, elasticidade e consistência do tecido humano para treinamento cirúrgico.
Financiado por Universidade Norueguesa de Ciência e Tecnologia (NTNU) Programa APEARS e liderado por David Huson, o projeto combinou impressão 3D e fundição para produzir modelos de baixo custo e alta fidelidade do duodeno, vesícula biliar, fígado, pâncreas e ducto biliar para treinamento de exploração laparoscópica do ducto biliar. Feitos de vários materiais em vez de silicone, os protótipos também replicaram as propriedades acústicas dos tecidos moles, permitindo uma prática realista guiada por ultrassom e reduzindo a dependência de cadáveres ou modelos animais.
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A imagem em destaque mostra o design e caracterização de modelos de voxel celular. Imagem by way of Avanços da Ciência.