Mimicking soft living tissues for 3D printed surgical planning prototypes using additive manufacturing technologies

Abstract

(English) Additive Manufacturing is the process of joining materials to make objects from a 3D model data, normally layer-upon-layer through series of some cross-sectional slices, as opposed to subtractive manufacturing technologies. In terms of the medical field, its expansion seems to have no end and can reach unexpected roads, and, in recent years, this progress has helped to minimize the health-related setbacks in our society. Different paths were opened in dental and hearing aids, biofabrication, tissue engineering and regenerative medicine, implants, the manufacture of surgical planning prototypes, etc. Doctors sometimes need to face complex surgeries that require a lot of time and this can lead to a higher likelihood of having a mishap. Additionally, until now, on many occasions, surgeons only had available the information that the DICOMs provide, which might not be enough for preparing a surgery. That is why, the fabrication of 3D physical models is a useful method for improving the surgery skills of surgeons. Their use can be vital to help the doctor in understanding beforehand what is needed to be done in the operation for two reasons: (1) reducing operation time; and (2) decreasing the danger. Despite offering such a good improvement, there are relevant limitations with the prototypes manufactured recently: (1) a lack of prototypes which can mimic the corresponding tissues; (2) cost-effective AM technologies which are able to 3D print material that can reach the softness of soft living tissues. Among the seven categories of the AM technologies, four were used: vat-photopolymerization, powder bed fusion (PBF) for plastic parts, material extrusion (ME) and material jetting (MJ). The later one mentioned is the technology which have achieved s o far to 3D print prototypes that were “m ore mimetic than others ”. But, it is a very expensive 3D printing process. Therefore, it was seen necessary to explore new roads to go one step further and try to overcome the drawbacks of this AM technology by finding materials and 3D printing technologies which are both cost-effective and able to 3D print more realistic and cost-effective prototypes. In this way, a first approach by combining ME and PBF with indirect 3D printing is explored. Three different cases are introduced with the objective of reducing costs and achieving multi-materiality and softer parts: (1) two full-processes of indirect 3D printing of two hepatic cases using soft silicones; (2) a full-process of a neuroblastoma case using a hybrid multi-material 3D printer (ME by FFF and DIW), which is also presented; and (3) a full-process of a neuroblastoma case using a hybrid manufacturing, in other words, combining separately 3D printed in parts FFF and SLS. This approach was excellent for visualization as long as it is a multi-colour and multi-material 3D printed prototype. However, for hands-on training, this is more limited and, therefore, a necessity to keep working in the search of cost-accessible 3D printable materials: hydrogels and silicones. The characterization of materials is fulfilled and its correlation to the soft living tissues is done based on viscoelasticity (DMA), hardness (Shore hardness tests), cutting feeling (Warner-Bratzler shear test) and roughness . The results of the mimicking of the soft living tissues are explained, analyzed, and discussed with previous research studies. It was seen that hydrogels have similar properties to soft tissues in terms of hardness and viscoelasticity, but not for Warner-Bratzler shear test. Silicones, however, obtained disparate results: (1) commercial silicones are away from the range of soft tissues, and (2) self-synthetized silicones have better properties. It is confirmed that is possible to develop a 3D mimetic surgical planning prototype using indirect 3D printing, and this is done with a real case of a biliary tract rhabdomyosarcoma. The material used for the soft part is one the best materials showed in the analysis.

(Español) La fabricación aditiva es el proceso de unión de materiales para fabricar objetos a partir de los datos de un modelo 3D, normalmente capa sobre capa mediante una serie de cortes transversales, diferente de las tecnologías de fabricación sustractiva. En el campo de la medicina, su expansión parece no tener fin y puede llegar a caminos insospechados y, en los últimos años, por ejemplo, este avance ha ayudado a minimizar los contratiempos relacionados con la salud en nuestra sociedad. Por ejemplo, en la fabricación de prototipos de planificación quirúrgica. Los médicos tienen que enfrentarse a cirugías complejas que requieren mucho tiempo y desgaste y esto puede suponer una mayor probabilidad de sufrir un percance. Además, hasta ahora, en muchas ocasiones, los cirujanos sólo disponían de la información que les proporcionaban los DICOM, que puede ser insuficiente para preparar una cirugía. Por ello, la fabricación de modelos físicos en 3D que se utilizan para la planificación quirúrgica preoperatoria es un método útil para mejorar las habilidades quirúrgicas de los cirujanos. Su uso puede ser vital para ayudar al médico a entender de antemano lo que hay que hacer en la operación por dos razones: (1) reducir el tiempo de la operación; y (2) disminuir el peligro. Sin embargo, hay limitaciones significativas con los prototipos fabricados recientemente: (1) prototipos que puedan imitar los tejidos correspondientes; (2) tecnologías rentables que capaces de imprimir en 3D material que puedan llegar a ser tan blandos como los tejidos vivos blandos. Entre las siete categorías de tecnologías de fabricación aditiva existentes, se han usado cuatro: vat-photopolymerization, powder bed fusion para partes plásticas, material extrusion and material jetting. La última mencionada es la tecnología que ha conseguido hasta ahora imprimir en 3D prototipos "más miméticos que otros". Pero, el proceso de material jetting es muy caro. Por lo tanto, se vio la necesidad de explorar nuevas vías y tratar de superar los resultados de esta tecnología mediante la búsqueda de materiales y tecnologías de impresión 3D que sean rentables y capaces de imprimir en 3D prototipos más realistas. De este modo, el primer enfoque de exploración combina FFF y SLS con la impresión 3D indirecta (técnica de moldeo). Se presentan tres casos diferentes con el objetivo de reducir los costes y conseguir piezas multimateriales y más blandas: (1) dos procesos de impresión 3D indirecta de dos casos hepáticos utilizando siliconas blandas; (2) un proceso de un neuroblastoma utilizando una impresora 3D multimaterial híbrida (FFF y DIW), que también se explica; y (3) un proceso de un neuroblastoma utilizando una fabricación híbrida, es decir, combinando por separado algunas piezas impresas en 3D en FFF y otras en SLS. . Sin embargo, se vio que era necesario seguir trabajando en la búsqueda de materiales imprimibles en 3D igual que accesibles: hidrogeles y siliconas. Se realiza la caracterización de los materiales y su correlación con los tejidos vivos blandos en base a la viscoelasticidad (DMA), dureza (ensayos de durezas Shore), sensación de corte (ensayo de cizallamiento Warner-Bratzler) y rugosidad. Esta correlación se explica, analiza y discute con estudios publicados anteriormente. Se observó que los hidrogeles tienen propiedades similares a las de los órganos en dureza y viscoelasticidad, pero no en lo que respecta al ensayo de cizallamiento de Warner-Bratzler. Las siliconas obtuvieron resultados dispares: (1) las comerciales están muy lejos del rango de los tejidos blandos; y (2) las auto-sintetizadas tienen las mejores. En definitiva, se confirma que es posible desarrollar un prototipo de planificación quirúrgica blanda impreso en 3D utilizando la impresión 3D indirecta, y esto se ejemplifica mediante una caso real de rabdomiosarcoma de vía biliar. El material utilizado para la parte blanda es uno de los mejores materiales mostrados en la parte que imita el tejido.