Prothèses Mesuré numériquement, imprimé à partir de matières biologiques

Le projet de recherche NaRo-3D montre comment fabriquer des tiges de prothèses de manière plus respectueuse de l'environnement et plus efficace. Des matériaux biosourcés imprimables en 3D et un processus de fabrication entièrement numérique dissocient la prise de mesures sur le patient de la fabrication et peuvent ainsi offrir des avantages bien au-delà des régions où le personnel qualifié fait défaut.

Selon l'organisation ATscale, proche de l'OMS, environ 65 millions de personnes dans le monde vivent avec une amputation d'un membre. Chaque année, on estime qu'environ 1,5 million de personnes, dont certaines ont subi plusieurs amputations, viennent s'ajouter à ce chiffre. Seule une fraction des personnes concernées bénéficie d'une prise en charge. Dans les pays à faibles et moyens revenus, selon les données de l’OMS, seuls 5 à 15 % des personnes dans le besoin auraient accès à une prothèse adéquate et bien ajustée. L’un des principaux obstacles réside dans le manque de professionnels qualifiés, qui ne sont souvent disponibles que dans les grandes villes.

C'est précisément là qu'intervient le projet NaRo-3D, auquel ont participé l'Institut Fraunhofer pour les techniques de production et l'automatisation (IPA), le fabricant de biomatériaux Tecnaro et l'entreprise orthopédique DOI ortho-innovativ. Ce projet a été financé par le ministère fédéral de l'Agriculture, de l'Alimentation et des Territoires (BMLEH) par l'intermédiaire de l'agence de financement « Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe » (FNR).

Des biomatériaux de haute technologie issus de l'impression 3D

Tecnaro a transformé des bio-polyoléfines, des bio-polyesters, des bio-polyamides, du bio-TPU et des dérivés de cellulose, associés à diverses charges et additifs, en matériaux composites adaptés à l'impression 3D. Selon les indications du fabricant, ces matériaux se sont distingués par une bonne fluidité à l'état fondu – un critère important pour la fabrication du monofilament filiforme – ainsi que par des caractéristiques mécaniques qui, dans certains cas, dépassaient celles de produits comparables à base de pétrole. Selon le projet, deux variantes ont même atteint les performances de matériaux haute performance tels que le titane ou la fibre de carbone.

Lors des essais d'impression menés par DOI, deux matériaux se sont révélés particulièrement adaptés : un biopolyester contenant 78 % de carbone d'origine biologique et un biopolyamide 100 % d'origine biologique. Un filament transparent à base de dérivés de cellulose et de biopolyester, présentant une teneur en carbone d'origine biologique de 46 %, s'est également révélé bien adapté à la fabrication de tiges d'essai, selon le fabricant.

De l'imagerie à l'impression

L'institut Fraunhofer IPA a développé une plateforme virtuelle de conception de tiges permettant une conception et une fabrication numériques sans rupture de média. Celle-ci utilise les techniques d'imagerie que sont l'IRM, le scanner laser et les ultrasons, dont les données permettent de créer des modèles CAO et par éléments finis du moignon et de la tige. La méthode des éléments finis permet de déterminer la capacité de charge et le confort en interaction avec le moignon, ainsi que d’optimiser la géométrie et l’épaisseur de paroi de la prothèse. Le fait que, outre les contraintes volumétriques, les contraintes de cisaillement du moignon soient également prises en compte est considéré par le projet comme une innovation dans la fabrication de prothèses. Les retours d’expérience de porteurs de prothèses de longue date concernant les prothèses en biocomposites se seraient également révélés positifs.

La fabrication numérique reste pour l'instant un marché de niche

Au lieu de réaliser un moulage en plâtre, puis de le remplir de résines de moulage et de passer des heures à le travailler à la main, les données de mesure pourraient théoriquement être traitées à l'échelle mondiale, sans dépendre de l'expertise disponible sur place. Cela serait particulièrement pertinent dans les régions confrontées à une pénurie de main-d'œuvre qualifiée.

Cependant, cette technologie est encore peu répandue à l’heure actuelle. Selon les estimations du secteur, dans la région DACH, seuls environ 10 à 20 % des entreprises d’orthopédie travailleraient au moins en partie de manière numérique ; moins de 5 % des prothèses seraient effectivement imprimées en 3D. Selon ses propres déclarations, le gouvernement fédéral ne disposerait pas de statistiques fiables sur les prestations. Outre les exigences réglementaires de la législation sur les dispositifs médicaux et les besoins d’investissement accrus pour les scanners, les logiciels et les imprimantes, les structures de rémunération encore floues sont également considérées comme des freins.

Importance pour les soins de santé dans les pays du Sud

« Nous associons notamment aux résultats de ce projet l’espoir d’améliorer la prise en charge orthopédique dans de nombreux pays grâce à des approches numériques optimisées », déclare Karl-Heinz Trebbin, maître technicien en orthopédie et directeur général de DOI. Il dispose lui-même d’une longue expérience dans la prise en charge de patients amputés en Amérique du Sud, en Afrique et en Asie. Les procédés numériques ne devraient toutefois « pas remplacer, mais compléter de manière judicieuse » les connaissances orthopédiques. Dans l’idéal, cela permettrait de consacrer davantage de temps à la prise en charge individuelle des patients.

Le Fraunhofer IPA souhaite mettre sa plateforme de mesure virtuelle à la disposition d'utilisateurs tels que les magasins de matériel médical et les entreprises spécialisées dans les prothèses orthopédiques. « Étant donné que l'utilisation de cette plateforme nécessite encore actuellement des connaissances spécifiques en programmation, nous aidons les magasins de matériel médical, grâce à des projets pilotes ciblés, à intégrer avec succès ces procédés numériques innovants dans leurs processus internes », souligne le chef de projet, le Dr.-Ing. Okan Avci, du Fraunhofer IPA.

De son côté, Tecnaro souhaite accélérer la mise sur le marché de ces nouveaux matériaux composites et ne se limite pas pour autant aux applications orthétiques et prothétiques dans le domaine de l'impression 3D. L'entreprise prévoit en outre de proposer des produits finis moulés par injection présentant une résistance élevée à la déformation thermique et une grande résistance aux chocs pour d'autres secteurs d'activité. Les monofilaments devraient être disponibles sous peu via le partenaire commercial Albis Distribution. Le rapport final du projet peut être consulté sur le site web de l’Agence spécialisée dans les matières premières renouvelables (FNR).

Cet article a été publié pour la première fois sur notre portail partenaire www.healthcare-digital.de.