Contribució a l'estudi de la impressió 3D per a la fabricació de models per facilitar l'assaig d'operacions quirúrgiques de tumors

Abstract

La present tesi doctoral s’ha centrat en el repte d’aconseguir, mitjançant Fabricació Additiva (FA), models per a assaig quirúrgic, sota la premissa que els equips per fer-los haurien de ser accessibles a l’àmbit hospitalari. L’objectiu és facilitar l’extensió de l’ús dels prototips com a eina de preparació d’operacions quirúrgiques, transformant la pràctica mèdica actual de la mateixa manera que en el seu moment ho van fer tecnologies com les que van facilitar l’ús de radiografies. El motiu d’utilitzar FA, en lloc de tecnologies més tradicionals, és la seva capacitat de materialitzar de forma directa les dades digitals obtingudes de l’anatomia del pacient mitjançant sistemes d’escanejat tridimensional, fent possible l’obtenció de models personalitzats. Els resultats es centren en la generació de nou coneixement sobre com aconseguir equipaments d’impressió 3D multimaterials accessibles que permetin l’obtenció de models mimètics respecte als teixits vius. Per facilitar aquesta buscada extensió de la tecnologia, s’ha focalitzat en les tecnologies de codi obert com la Fabricació per Filament Fos (FFF) i similars basades en líquids catalitzables. La recerca s’alinea dins l’activitat de desenvolupament de la FA al CIM UPC, i en aquest àmbit concret amb la col·laboració amb l’Hospital Sant Joan de Déu de Barcelona (HSJD). El primer bloc de la tesi inclou la descripció de l’estat de l’art, detallant les tecnologies existents i la seva aplicació a l’entorn mèdic. S’han establert per primer cop unes bases de caracterització dels teixits vius -sobretot tous- per donar suport a la selecció de materials que els puguin mimetitzar en un procés de FA, a efectes de millorar l’experiència d’assaig dels cirurgians. El caràcter rígid dels materials majoritàriament usats en impressió 3D els fa poc útils per simular tumors i altres referències anatòmiques. De forma successiva, es tracten paràmetres com la densitat, la viscoelasticitat, la caracterització dels materials tous a la indústria, l’estudi del mòdul elàstic de teixits tous i vasos, la duresa d’aquests, i requeriments com l’esterilització dels models. El segon bloc comença explorant la impressió 3D mitjançant FFF. Es classifiquen les variants del procés des del punt de vista de la multimaterialitat, essencial per fer models d’assaig quirúrgic, diferenciant entre solucions multibroquet i de barreja al capçal. S’ha inclòs l’estudi de materials (filaments i líquids) que serien més útils per mimetitzar teixits tous. Es constata com en els líquids, en comparació amb els filaments, la complexitat del treball en processos de FA és més elevada, i es determinen formes d’imprimir materials molt tous. Per acabar, s’exposen sis casos reals de col·laboració amb l’HJSD, una selecció d’aquells en els que el doctorand ha intervingut en els darrers anys. L’origen es troba en la dificultat de l’abordatge d’operacions de resecció de tumors infantils com el neuroblastoma, i a la iniciativa del Dr. Lucas Krauel. Finalment, el Bloc 3 té per objecte explorar nombrosos conceptes (fins a 8), activitat completada al llarg dels darrers cinc anys amb el suport dels mitjans del CIM UPC i de l’activitat associada a treballs finals d’estudis d’estudiants de la UPC, arribant-se a materialitzar equipaments experimentals per validar-los. La recerca ampla i sistemàtica al respecte fa que s’estigui més a prop de disposar d’una solució d’impressió 3D multimaterial de sobretaula. Es determina que la millor via de progrés és la de disposar d’una pluralitat de capçals independents a fi de capacitar la impressora 3D per integrar diversos conceptes estudiats, materialitzant-se una possible solució. Cloent la tesi, es planteja com seria un equipament d’impressió 3D per a models d’assaig quirúrgic, a fi de servir de base per a futurs desenvolupaments. La presente tesis doctoral se ha centrado en el reto de conseguir, mediante Fabricación
 Aditiva (FA), modelos para ensayo quirúrgico, bajo la premisa que los equipos para
 obtenerlos tendrían que ser accesibles al ámbito hospitalario. El objetivo es facilitar la
 extensión del uso de modelos como herramienta de preparación de operaciones
 quirúrgicas, transformando la práctica médica actual de la misma manera que, en su
 momento, lo hicieron tecnologías como las que facilitaron el uso de radiografías. El
 motivo de utilizar FA, en lugar de tecnologías más tradicionales, es su capacidad de
 materializar de forma directa los datos digitales obtenidos de la anatomía del paciente
 mediante sistemas de escaneado tridimensional, haciendo posible la obtención de
 modelos personalizados.
 Los resultados se centran en la generación de nuevo conocimiento para conseguir
 equipamientos de impresión 3D multimateriales accesibles que permitan la obtención de
 modelos miméticos respecto a los tejidos vivos. Para facilitar la buscada extensión de la
 tecnología, se ha focalizado en las tecnologías de código abierto como la Fabricación
 por Hilo Fundido (FFF) y similares basadas en líquidos catalizables. Esta investigación
 se alinea dentro de la actividad de desarrollo de la FA en el CIM UPC, y en este ámbito
 concreto con la colaboración con el Hospital Sant Joan de Déu de Barcelona (HSJD).
 El primer bloque de la tesis incluye la descripción del estado del arte, detallando las
 tecnologías existentes y su aplicación al entorno médico. Se han establecido por primera
 vez unas bases de caracterización de los tejidos vivos – principalmente blandos – para
 dar apoyo a la selección de materiales que los puedan mimetizar en un proceso de FA, a
 efectos de mejorar la experiencia de ensayo de los cirujanos. El carácter rígido de los
 materiales mayoritariamente usados en impresión 3D los hace poco útiles para simular
 tumores y otras referencias anatómicas. De forma sucesiva, se tratan parámetros como
 la densidad, la viscoelasticidad, la caracterización de materiales blandos en la industria,
 el estudio del módulo elástico de tejidos blandos y vasos, la dureza de los mismos, y
 requerimientos como la esterilización de los modelos.
 El segundo bloque empieza explorando la impresión 3D mediante FFF. Se clasifican las
 variantes del proceso desde el punto de vista de la multimaterialidad, esencial para hacer
 modelos de ensayo quirúrgico, diferenciando entre soluciones multiboquilla y de mezcla
 en el cabezal. Se ha incluido el estudio de materiales (filamentos y líquidos) que serían
 más útiles para mimetizar tejidos blandos. Se constata como en los líquidos, en
 comparación con los filamentos, la complejidad del trabajo en procesos de FA es más
 elevada, y se determinan formas de imprimir materiales muy blandos. Para acabar, se
 exponen seis casos reales de colaboración con el HJSD, una selección de aquellos en los
 que el doctorando ha intervenido en los últimos años. El origen se encuentra en la
 dificultad del abordaje de operaciones de resección de tumores infantiles como el
 neuroblastoma, y en la iniciativa del Dr. Lucas Krauel. 
 Finalmente, el Bloque 3 desarrolla numerosos conceptos (hasta 8), actividad completada a lo largo de los últimos cinco años con el apoyo de los medios del CIM UPC y de la actividad asociada a trabajos finales de estudios de estudiantes de la UPC, llegándose a materializar equipamientos experimentales para validarlos. La investigación amplia y sistemática al respecto hace que se esté más cerca de disponer de una solución de impresión 3D multimaterial de sobremesa. Se determina que la mejor vía de progreso es la de disponer de una pluralidad de cabezales independientes, a fin de capacitar la impresora 3D para integrar diversos conceptos estudiados, materializándose una posible solución.
 Para cerrar la tesis, se plantea cómo sería un equipamiento de impresión 3D para
 modelos de ensayo quirúrgico, a fin de servir de base para futuros desarrollos.