JUNHO’2018

ClínicaUniversitáriadeOtorrinolaringologia

Impressão a 3D em ORL e CirurgiaMaxilofacial:presenteefuturoAnaRitaPintoAraújo

2

JUNHO’2018

ClínicaUniversitáriadeOtorrinolaringologia

Impressão a 3D em ORL e CirurgiaMaxilofacial:presenteefuturoAnaRitaPintoAraújo

Orientadopor:

Dr.MarcoAntónioAlveirinhoCabritaSimão

3

RESUMO

A Impressão a Três Dimensões é uma tecnologia promissora que utiliza dados

de imagem para criar um modelo complexo e personalizado de alta precisão. Teve

grandes progressos nas últimas décadas e, com a diminuição dos seus custos, tem sido

amplamente utilizada na Medicina, nomeadamente pelas especialidades médico-

cirúrgicas, como a Otorrinolaringologia e a Cirurgia Maxilofacial. As aplicações

médicas são inúmeras, incluindo próteses e implantes, simulação cirúrgica, educação e

investigação médica. Na área da regeneração de tecidos, o Bioprinting tem o potencial

de imprimir, auxiliado por computador, scaffolds complexos e biocompatíveis através

da deposição camada-a-camada de células vivas, biomateriais e moléculas de interesse

num substrato com a forma desejada.

Este trabalho fornece uma visão global do atual desenvolvimento desta

tecnologia, destaca as suas vantagens e limitações, exemplifica aplicações do seu uso na

área da Otorrinolaringologia e da Cirurgia Maxilofacial e discute, ainda, as inovações

futuras e o impacto financeiro desses avanços nos cuidados de saúde. Para tal, realizou-

se uma revisão sistemática na PubMed, incluindo apenas artigos em Inglês publicados

entre 2012 e 2017.

Concluindo, a utilização da Impressão a Três Dimensões em dispositivos

médicos implantáveis e guias cirúrgicos personalizados para o paciente pode reduzir o

tempo de cirurgia e melhorar os resultados da mesma. A nível educacional, os modelos

anatómicos permitem uma melhor visualização da anatomia e são úteis no planeamento

pré-cirúrgico, com possibilidade de desenvolver a melhor abordagem cirúrgica, predizer

resultados e antecipar eventuais problemas que possam surgir. Com os avanços no

Bioprinting, poderá ser possível aos otorrinolaringologistas e cirurgiões implantar

enxertos biologicamente funcionais impressos a Três Dimensões para reconstrução de

uma variedade de lesões num futuro próximo. No entanto, por ser uma tecnologia

recente na área da Medicina, os estudos publicados são vagos e as conclusões carecem

ainda de evidência.

Palavras-chave: “Impressão a Três Dimensões”, “Impressão 3D”, “Cirurgia”, “Otorrinolaringologia” e

“Cirurgia Maxilofacial”.

“O Trabalho Final exprime a opinião do autor e não da FML”

4

ABSTRACT

Three-Dimensional Printing is a promising technology that uses image data to

create a complex and personalized model with high precision. It has made great

progress over the past few decades and, as its costs have declined, it has been widely

used in Medicine, namely by medical-surgical specialties such as Otorhinolaryngology

and Maxillofacial Surgery. Medical applications are limitless, including prosthesis and

implants, surgical planning, medical education and research. In regeneration of tissues,

Bioprinting has the potential to print, using computer-aided, complex and biocompatible

scaffolds by layer-by-layer deposition of living cells, biomaterials and molecules of

interest on a substrate of desired shape.

This work gives an overview of the current stage of this technology, highlights

its benefits and limitations, provides examples of its applications within the field of

Otorhinolaryngology and Maxillofacial Surgery and also discusses future innovations

and the financial impact of these advances in Healthcare. Therefore, a systematic

literature review was conducted using PubMed, including only English articles

published between 2012 and 2017.

In conclusion, the use of Three-Dimensional Printing in patient-specific

implantable medical devices and surgical guides can reduce operating room time and

thus improve clinical outcomes. In the education field, anatomical models provide a

better anatomy visualization and are useful at pre-surgical planning, as surgeons can

develop the best surgical approach, predict outcomes and anticipate problems that might

arise. With advances in Bioprinting, it may be possible for otolaryngologists and

surgeons to implant Three-Dimensional printed biologically functional grafts for

reconstruction of a variety of tissue defects in the near future. Nonetheless, as it is a

recent technology in the medical field, the articles published are vague and its

conclusions still lack of evidence.

Keywords: “Three-Dimensional Printing”, “3D Printing”, “Surgery”, “Otorhinolaryngology” and

“Maxillofacial Surgery”.

5

ÍNDICE

Introdução ....................................................................................................................... 6

Métodos ............................................................................................................................ 7

Impressão a 3D na Medicina .......................................................................................... 8

Aplicações médicas em ORL .......................................................................................... 8 1.1 EDUCAÇÃO E TREINO CIRÚRGICO ........................................................................... 8 1.2 DISPOSITIVOS MÉDICOS IMPLANTÁVEIS ............................................................... 12

Aplicações médicas em Cirurgia Maxilofacial ........................................................... 16 2.1 MODELOS ANATÓMICOS ........................................................................................ 16 2.2 DISPOSITIVOS MÉDICOS IMPLANTÁVEIS ............................................................... 18

Bioprinting ..................................................................................................................... 21

Limitações da Impressão a 3D ..................................................................................... 22

Conclusão ....................................................................................................................... 24

Bibliografia .................................................................................................................... 25

6

SIGLAS E ABREVIATURAS

ORL – Otorrinolaringologia

PDMS – Polidimetilsiloxano

RMN – Ressonância Magnética Nuclear

SLA – Estereolitografia

SLM – Selective Laser Melting

TC – Tomografia Computorizada

3D – Três Dimensões

7

INTRODUÇÃO

A Impressão a 3D foi inicialmente apresentada por Chuck Hull, em 1984, e

consiste na construção de um modelo através da deposição de material camada a

camada desde a sua base até ao topo. Este processo é controlado por um programa

informático que cria um modelo virtual pronto a imprimir. Atualmente, existem várias

impressoras 3D, com diferentes aplicações, tipos de material e graus de precisão. O

primeiro protótipo, designado por SLA, permitia criar um modelo usando lasers de luz

ultravioleta que endureciam uma resina líquida fotossensível.[1] Com a introdução da

primeira impressora 3D comercial, juntamente com a evolução dos meios

complementares de diagnóstico por imagem no final dos anos 80, as aplicações desta

tecnologia no ramo médico começaram a ser estudadas. Em 1994, a SLA foi usada pela

primeira vez na área da Biomedicina, sendo posteriormente implementada na Ortopedia,

Cirurgia Craniofacial, Maxilofacial e Cardiotorácica.

Este trabalho, desenvolvido no âmbito do Mestrado Integrado em Medicina da

Faculdade de Medicina de Lisboa, pretende fornecer uma visão global do atual

desenvolvimento da Impressão a 3D, destacando as suas vantagens e limitações. Para

além disso, exemplifica aplicações do seu uso na área da Otorrinolaringologia e da

Cirurgia Maxilofacial e ainda discute as inovações futuras e o impacto financeiro desses

avanços nos cuidados de saúde.

MÉTODOS

Realizou-se uma revisão sistemática tendo por base a PubMed em dezembro de

2017. Apenas foram incluídos artigos em Inglês publicados entre 2012 e 2017. Usaram-

se as seguintes palavras-chave: “Three-Dimensional Printing”, “3D Printing”,

“Surgery”, “Otorhinolaryngology” e “Maxillofacial surgery”.

Fizeram-se pesquisas adicionais para incluir artigos relevantes relacionados com

outras especialidades cirúrgicas, nomeadamente Cirurgia Plástica e Reconstrutiva. Os

artigos incluídos que detalham o desenvolvimento da Impressão a 3D ou aplicações

para procedimentos e patologias estão diretamente ou clinicamente relacionados com a

prática em ORL e Cirurgia Maxilofacial.

8

IMPRESSÃO A 3D NA MEDICINA

A diminuição do custo e o aumento da facilidade no uso da Impressão a 3D

tornaram esta tecnologia mais acessível. Por isso, desde 2011 tem havido um aumento

exponencial dos estudos sobre as suas aplicações na área da Medicina. A Impressão a

3D permite a criação de um modelo digital 3D tendo por base a combinação de imagens

obtidas por exames de imagem a duas dimensões, como a TC, a RMN e a Ecografia por

Ultrassom. Quanto maior o número de imagens recolhidas, melhor a precisão do

modelo. No entanto, estes exames de imagem não são inerentes de radiação.

Posteriormente, as imagens são trabalhadas num software informático que permite

modelar a precisão geométrica e a versatilidade. O modelo final é impresso, podendo

ainda sofrer um pós-processamento para melhorar as suas superfícies.[2]

Esta tecnologia é ainda dispendiosa (2.000€ a 10.000€ para a SLA), consome

bastante tempo e requer uma equipa multidisciplinar. No entanto, permite uma

Medicina personalizada que tem em conta as variações anatómicas específicas do

paciente e cria soluções individualizadas.[3]

As aplicações médicas são inúmeras e em várias especialidades. Em reabilitação,

pode ser usada para criar próteses para substituir tecidos lesados. Em reconstrução,

permite a criação de dispositivos médicos implantáveis e ainda guias cirúrgicos

personalizados. Na área da regeneração de tecidos, pode ser útil para a substituição de

tecidos lesados com material biológico (“Bioprinting”). Por último, a criação de

modelos anatómicos permite ainda o planeamento pré-cirúrgico e tem um papel fulcral

na educação e investigação médica.[4]

APLICAÇÕES MÉDICAS EM ORL

As especialidades médico-cirúrgicas, como a ORL, são áreas onde as aplicações

médicas da Impressão a 3D têm tido maior investigação. A possibilidade de uma

terapêutica personalizada e específica para o paciente confere inúmeras vantagens.

1.1 EDUCAÇÃO E TREINO CIRÚRGICO

A criação de modelos anatómicos 3D é a forma mais comum do uso da

Impressão a 3D em cirurgia, uma vez que permite estudar casos complexos, praticar

9

procedimentos e ensinar alunos do Ensino pré e pós-graduado e ainda os próprios

pacientes.

Tradicionalmente durante a formação médica, os cadáveres humanos, os

espécimes de cadáveres plastinados e modelos plásticos são utilizados para ensinar

anatomia e as relações morfológicas entre os vários órgãos. No entanto, são métodos

com várias limitações. Por um lado, a manutenção de um laboratório de dissecação

envolve elevados custos e o fornecimento de cadáveres está dependente de programas

de doação, com várias preocupações éticas inerentes. Por outro, os modelos plásticos

são pouco realistas e raramente representam patologia ou variantes anatómicas.[5] Por

isso, os modelos anatómicos 3D são vantajosos, uma vez que são impressos de forma

rápida com alta precisão e realismo, havendo possibilidade de representarem uma

anatomia variante ou patológica infrequente em cadáveres. A maioria dos modelos

representa ossos, incluindo aqueles com formas irregulares, como as vértebras.

Atualmente, existe uma base de dados on-line onde são partilhados os modelos

anatómicos virtuais para posterior impressão a 3D.

Os pacientes também podem beneficiar desta tecnologia, já que os modelos

melhoram a compreensão da sua patologia e eventualmente do procedimento cirúrgico

ao qual vão ser submetidos, o que resulta numa melhor comunicação médico-paciente.

Para além disso, a combinação de modelos 3D pré e pós-operatórios permite uma

melhor gestão das suas expectativas face aos resultados esperados.[6]

Atualmente estão disponíveis materiais transparentes, coloridos e flexíveis para

impressão, o que aumenta o nível de realismo dos modelos ao diferenciar o tecido em

celular, vascular e ósseo. Okumoto et al., imprimiram modelos de osso com sal que

simulavam a sensação tátil de osso humano cortado. Estes modelos táteis também

podem ajudar os alunos e o paciente.[2]

Os internos de formação específica também podem treinar em cadáveres

humanos, mas é difícil acumular experiência suficiente das técnicas cirúrgicas para uma

variedade de doenças. Para além disso, observar e auxiliar durante cirurgias permite

apenas uma experiência indireta e insuficiente. Os modelos anatómicos 3D, que

possuem o mesmo tamanho, peso e textura dos órgãos do paciente, são utilizados para

estudar a sua anatomia, para o planeamento pré-cirúrgico e para simular cirurgias

complicadas. Neste caso, o cirurgião tem possibilidade de desenvolver a melhor

10

abordagem cirúrgica, predizer resultados e antecipar eventuais problemas que possam

surgir.

Os modelos para planeamento pré-cirúrgico representam 38,7% de todas as

publicações sobre Impressão a 3D.[6] Em ORL, os modelos impressos mais

frequentemente são o osso temporal (custo médio de 1,60€/modelo), para treinar a

cirurgia otológica no adulto e na criança, e a cartilagem cricoide, para praticar a

dilatação por balão.[2]

Vorwerk e Begall criaram o primeiro modelo 3D do osso temporal, usando a

SLA, para microdissecação e exercícios cirúrgicos. Vários investigadores compararam

este modelo com os ossos temporais de cadáveres e concluíram que é bastante

comparável.[7] No entanto, o osso temporal possui muitos espaços aéreos e as estruturas

anatómicas internas, como o nervo facial, o seio sigmoide, os canais semicirculares e a

cóclea, são de difícil impressão. As pequenas estruturas, como os ossículos, também são

facilmente quebradas durante o pós-processamento. Para ultrapassar estes problemas,

criaram-se orifícios, com base na TC, para drenagem do líquido usado no pós-

processamento, substituíram-se manualmente os ligamentos ossiculares por osso e as

estruturas internas foram coloridas digitalmente antes da impressão. A maioria dos

cirurgiões que avaliou o modelo concluiu que a sensação tátil e a concordância com o

modelo real eram excelentes, excetuando os ossículos, o seio timpânico e as células

mastoideias.[8] [Ilustração 1]

Monfared et al., construíram um modelo do ouvido médio com dois materiais

diferentes que simulavam osso e partes moles. Chiesa Estomba et al., criaram um

modelo 3D combinado com um sistema hidráulico, que representava as artérias

etmoidais anterior e posterior, para simulação de hemorragia nasal e, assim, ajudar a

praticar o diagnóstico e o tratamento da epistaxis. Outros grupos imprimiram um

modelo de cartilagem costocondral a 3D para a prática da técnica cirúrgica de correção

de microtia, na qual se cria uma estrutura para a reconstrução auricular.[7] Adbul-Latif

Hamdan et al., imprimiram um modelo de cordas vocais de um paciente com paralisia

unilateral esquerda para planeamento pré-cirúrgico. A laringoplastia por injeção é a

terapêutica preferida e, desta forma, os cirurgiões planearam qual a melhor abordagem

para atingir a corda e qual o melhor local para a injeção, assim como a sua profundidade

e a quantidade necessária de produto.[9] Outros modelos incluem a representação da

11

cavidade nasal, dos seios perinasais, de patologia pituitária e ainda da base do crânio

para a prática de técnicas endoscópicas, como a resseção de um angiofibroma

nasofaríngeo juvenil e de tumores petroclivais, um modelo para simulação de

mastoidectomia e um modelo da árvore traqueobrônquica para treino de

broncoscopia.[2][10] [Ilustração 2]

Ilustração 1 A. Visão endoscópica transcanal do modelo 3D do osso temporal (I – bigorna, M – martelo, RW – janela redonda, S – estribo, TA – anel timpânico); B. Visão macroscópica interna (CAq – aqueduto coclear, IAC – canal auditivo interno, IJP – processo intrajugular, IPS – sulco petroso inferior, JB – bulbo jugular, JF – forâmen jugular, JT – tubérculo jugular, PR – crista petrosa, SS – seio sigmoide, TC – crista transversa).[8]

A Impressão a 3D também foi usada para criar instrumentos e guias cirúrgicos

personalizados, representando a maioria (60%) das publicações sobre esta tecnologia.[6]

Por exemplo, imprimiram-se laringoscópios a 3D que permitiram o uso intraoperatório

de exames de imagem, já que os tradicionais laringoscópios metálicos seriam

contraindicados para a RMN e causariam artefactos importantes na TC.[10] Estes

instrumentos possuem a força necessária para serem usados em cirurgia e são aptos para

esterilização. Comparativamente ao método convencional, isto permitiu uma redução do

tempo de cirurgia em 46% dos estudos realizados e uma melhoria dos resultados

clínicos em 72%. No entanto, em 33% dos estudos é referido um aumento dos custos.[6]

De um modo geral, acredita-se que a educação médica e cirúrgica é mais

eficiente com estes modelos 3D do que com a prática atual.

12

Ilustração 2 Exemplos de modelos anatómicos 3D para ensino e simulação cirúrgica. A. A aparência do osso temporal é exatamente igual à do osso real; B. Antro mastoideu visível no início de uma mastoidectomia (Incus – bigorna, LSC – canal semicircular externo, Mastoid antrum – antro mastoideu, Sigmoid sinus plate – seio sigmoide); C. Modelo 3D dos seios perinasais; D. Imagens endoscópicas do seio esfenoisal (Fiducial Marker – ponto de referência).[7]

1.2 DISPOSITIVOS MÉDICOS IMPLANTÁVEIS

Aproximadamente 60% das doenças crónicas do ouvido médio deve-se a

defeitos na cadeia ossicular com consequente perda auditiva condutiva. A forma do

implante tem de ser muito similar à do ossículo original, uma vez que fará parte de uma

estrutura complexa e com grande variabilidade entre os indivíduos. A possibilidade de

criar implantes personalizados surgiu com a era da Impressão a 3D, usando materiais

biocompatíveis e duradouros. No entanto, estes implantes apenas recuperam a função

acústica da cadeia ossicular a nível anatómico-funcional, sem consideração pela sua

13

integração biológica com o ambiente do ouvido médio. Atualmente está em estudo a

hipótese de criar implantes impregnados com células, como será discutido mais à

frente.[7]

Anualmente, a otite média aguda afeta mais de 30 milhões de indivíduos,

podendo culminar em perfurações da membrana do tímpano que necessitam de

reparação cirúrgica. Kozin et al., imprimiram uma membrana timpânica 3D com

diferentes tipos de material que mostrou alta capacidade de resistência à deformação,

comparativamente ao enxerto de fáscia temporal usado tradicionalmente.[7]

Outra aplicação médica da Impressão a 3D consiste na criação de aparelhos

auditivos intracanal personalizados. Antigamente era um processo demorado e bastante

dispendioso. Com esta tecnologia, o audiologista cria uma imagem digital do canal

auditivo externo e envia para impressão, concluindo o processo em menos de 24 horas.

Atualmente existem mais de 10 milhões de aparelhos auditivos impressos a 3D, que são

mais confortáveis para o paciente e de menor custo.[7]

A reconstrução auricular também é possível através de uma prótese auricular 3D

de alta precisão. O pavilhão auricular é difícil de regenerar pelos métodos tradicionais,

como a reconstrução com autoenxerto de cartilagem, devido à sua forma complexa.

Watson et al., imprimiram próteses auriculares 3D para três pacientes sem pavilhão

auricular unilateral, melhorando a forma, a cor, a textura e a flexibilidade face às

próteses convencionais.[7] [Ilustração 3] Uma equipa de investigadores ingleses sugeriu

que a melhor forma é imprimir um molde negativo da prótese e preenchê-lo com

silicone. Desta forma, as características da pele, como as rugas e a textura, são

reproduzíveis pela Impressão a 3D. No entanto, é necessário um pós-processamento do

molde com acetona em vapor para eliminar o efeito “escada” típico da impressão

camada-a-camada e tornar as superfícies lisas, sem anular essas características.

Enquanto uma prótese de silicone manual demora 5 a 10 semanas e custa cerca de

3.250€, pelo método 3D é significativamente mais rápido e com um custo de apenas

335€.[11] [Ilustração 4]

14

Ilustração 3 Prótese auricular 3D.[7]

Ilustração 4 Prótese auricular por molde negativo 3D. As imagens são obtidas por um exame de imagem, como a TC, e editadas digitalmente para criar um molde negativo, que é impresso a 3D. Após o processamento com acetona em vapor, o molde é preenchido com silicone, originando a prótese auricular.[11]

Na área da Rinologia, Onerci Altunay et al., imprimiram implantes do septo

nasal para correção de perfurações. A possibilidade de redimensionamento pela

Impressão a 3D permitiu uma melhoria dos sintomas e uma maior taxa de retenção do

implante em pacientes com grandes perfurações. Para além disso, alguns investigadores

criaram moldes negativos e fabricaram o implante por enchimento deste com silicone

para posterior rinoplastia em pacientes com contorno irregular do osso nasal.

15

Ainda em ORL, Zopf et al., imprimiram anéis traqueais para tratamento de

crianças com traqueobronquiomalácia grave. Os implantes foram suturados com fio

reabsorvível à volta dos segmentos colapsados para suspensão a partir do exterior e,

assim, conferir resistência contra o colapso da via. Os anéis adaptaram-se aos tecidos

em crescimento, o que é importante na área da Pediatria, surgindo o conceito de

estrutura a Quatro Dimensões – o implante sofre deformação e degradação mecânica

definida pelo seu design em resposta ao crescimento tecidular até ser reabsorvido em 2 a

3 anos. Os pacientes melhoraram significativamente a sua capacidade pulmonar ao fim

de 3 meses.[1][7][12][13] [Ilustração 5] O mesmo conceito pode ser aplicado aos defeitos e

estenoses traqueais. Atualmente, o tratamento disponível é limitado devido ao desajuste

dador-recetor do tamanho da traqueia, à imunossupressão prolongada e à estenose ou

necrose do enxerto por fraca vascularização. Na área da regeneração de tecidos,

tentaram-se criar scaffolds acelulares constituídos apenas por matriz extracelular para

substituição desses defeitos, mas não possuíam a força mecânica necessária para

reconstruir a traqueia. Sadiq Rehmani et al., criaram enxertos traqueais 3D para

reconstrução de defeitos em modelos animais (porco). Ao fim de 3 meses, os enxertos

estavam estruturalmente intactos e bem incorporados.[14]

Ilustração 5 Anéis traqueais 3D para tratamento de traqueobronquiomalácia grave em três crianças.[13]

16

Outro exemplo da diversidade das aplicações da Impressão a 3D é a criação de

máscaras de pressão positiva contínua (CPAP) para crianças com anomalias do crânio e

maxilofaciais que impedem o uso das máscaras standard.[10]

Concluindo, são vários os exemplos que comprovam que esta tecnologia é útil e

contribui para uma Medicina mais centrada no paciente.

APLICAÇÕES MÉDICAS EM CIRURGIA MAXILOFACIAL

A região maxilofacial é bastante complexa, com relações anatómicas

importantes devido à quantidade de diferentes tipos de tecido (osso, cartilagem,

músculo e pele) e estruturas (órbita, nariz e cavidade oral) nas proximidades.

2.1 MODELOS ANATÓMICOS

Tal como em ORL, a impressão de modelos anatómicos a 3D é usada na

educação médica e do paciente, mas adquire especial importância no planeamento pré-

cirúrgico. Por um lado, os modelos permitem moldar fixadores em titânio para posterior

uso na cirurgia reconstrutiva, diminuindo o tempo da mesma entre 24 a 84 minutos.[15]

[Ilustração 6] Por outro, a impressão de modelos que representem anomalias

maxilofaciais específicas do paciente permite a criação de fixadores e guias cirúrgicos

personalizados. Um exemplo disso foi o uso de modelos maxilares 3D projetados

digitalmente para prever a anatomia de crianças com fenda labial e palatina e, assim,

moldar implantes nasoalveolares pré-cirurgicamente.[2]

Ilustração 6 Modelo mandibular e de fixador impressos a 3D para modelação pré-cirúrgica do fixador em titânio.[2]

17

Outro exemplo foi a impressão a 3D de um modelo representativo de um tumor

mandibular para planeamento pré-cirúrgico da sua exérese num paciente com 7 anos. O

tratamento habitual dos fibro-odontomas ameloblásticos de grandes dimensões é

conservativo e consiste na enucleação total ou na mandibulectomia parcial. Como a

remoção cirúrgica incompleta aumenta o risco de recorrência e de transformação

maligna, os cirurgiões imprimiram um modelo 3D híbrido, com diferentes materiais e

cores a representar o osso mandibular, o tumor (55x40x22mm) e o nervo alveolar

inferior, onde simularam a exérese do tumor. Desta forma, tiveram a oportunidade de

explorar a complexa relação espacial entre o tumor e os tecidos circundantes e optar

pela sua enucleação total. A cirurgia foi posteriormente realizada de forma satisfatória,

sem sinais de recorrência ao fim de um ano.[16] [Ilustração 7]

Concluindo, os modelos maxilofaciais 3D melhoram o planeamento pré-

cirúrgico e os resultados clínicos e estéticos, reduzindo ainda o tempo da cirurgia.

Ilustração 7 A. Vista sagital do modelo 3D; B. O tumor (seta) é visível após remoção do osso cortical. O tecido calcificado do mesmo está representado a verde; C. Após a exérese tumoral, é visível o nervo alveolar inferior (cabeça da seta), situado no bordo inferior da mandíbula.[16]

18

2.2 DISPOSITIVOS MÉDICOS IMPLANTÁVEIS

As anomalias maxilofaciais envolvem defeitos ósseos e das partes moles e

resultam diretamente de lesões traumáticas ou infeciosas, resseções oncológicas ou

anomalias congénitas. O seu tratamento é particularmente difícil devido à extrema

importância estética dos resultados. Atualmente, as opções terapêuticas incluem

próteses, aloenxertos, retalhos dependentes da vascularização da zona dadora ou

rearranjo local para cobrir a lesão com tecidos saudáveis adjacentes. Os principais

desafios a estas técnicas são a morbilidade do local dador e recetor, a obtenção de tecido

suficiente com as mesmas propriedades que o tecido recetor, a necessidade da

modificação do enxerto durante a cirurgia e, ainda, o risco de rejeição imunológica no

caso dos aloenxertos. A necessidade de criar soluções personalizadas para uma

determinada anomalia levou à investigação do uso da Impressão a 3D.[4][17]

A Cirurgia Maxilofacial publicou 24,12% de todos os estudos sobre Impressão a

3D realizados por especialidades cirúrgicas, sendo apenas ultrapassada pela Ortopedia

(30,70%). Os implantes personalizados, que representam 12,17% das publicações,

diminuem o tempo de cirurgia e de recuperação, com boa precisão e melhores

resultados clínicos e estéticos. Um estudo provou ainda uma melhor formação óssea e

angiogénese com esses implantes. A Impressão a 3D pode ser usada para imprimir

diretamente o implante ou prótese final ou então para imprimir guias cirúrgicos, cada

vez mais usados em reconstruções mandibulares e na cirurgia ortognática.[6] Os

materiais usados na impressão têm de ser biocompatíveis, resistentes e translúcidos nas

radiografias.[4]

Os dispositivos médicos implantáveis, para além de serem uma solução estética,

permitem uma melhoria funcional. Podem ser temporários (usados e depois removidos)

ou permanentes (fazem parte da reconstrução).[18] As próteses feitas por métodos

tradicionais são constituídas por PDMS. A Impressão a 3D é uma nova aposta, embora

não resulte numa prótese com propriedades semelhantes à PDMS. A melhor abordagem

é a impressão de vários moldes negativos para obtenção de múltiplas peças e, assim,

construir a prótese final.[4]

Uma prótese 3D foi construída especificamente para Eric Moger que, devido a

um carcinoma de células escamosas gigante e agressivo na face, foi submetido a uma

cirurgia para remoção da quase totalidade do lado esquerdo da face, incluindo o olho, o

19

osso zigomático e parte da mandíbula. Para além do aspeto inestético, o paciente não

conseguia falar corretamente e alimentava-se através de uma gastrostomia endoscópica

percutânea. A equipa do Dr. Andrew Dawood realizou exames de imagem ao paciente

e, através de programas informáticos, recriou o lado em falta por imagem em espelho do

lado direito. Posteriormente, imprimiram um molde negativo a 3D que foi preenchido

por silicone, formando a prótese final. Esta fixa-se através de íman à sobrancelha e ao

osso zigomático direito. Para além da prótese facial, foi também construído um

implante bucal que lhe permitiu beber e comer de novo. Desta forma, o paciente

melhorou a nível funcional e a nível estético.[7] [Ilustração 8]

Ilustração 8 A. Modelo virtual com a anomalia facial esquerda, construído com base nos exames de imagem e, à direita, o respetivo molde 3D; B. Modelo virtual com correção da anomalia facial por imagem em espelho do lado direito e, à direita, o respetivo molde 3D; C. Implante bucal e, à direita, a prótese facial. (em http://www.dailymail.co.uk/health/article-2304637/Surgeon-uses-3D-printing-technology-make-cancer-patient-new-face.html e [7])

20

Em junho de 2011, a equipa do cirurgião maxilofacial Jules Poukens construiu

um implante mandibular 3D personalizado para uma mulher de 83 anos com

osteomielite grave e progressiva da mandíbula. Procedeu-se à remoção completa desta e

substituiu-se por um implante de titânio, revestido por biocerâmica, criado pela técnica

SLM, uma forma específica de Impressão a 3D. A SLM utiliza um laser de alta precisão

para aquecer seletivamente partículas de titânio que se prendem à camada anterior sem

necessidade de resina aglutinante. O implante foi impresso em poucas horas, sendo

ligeiramente mais pesado do que a mandíbula original (107 gramas). Apresentava

orifícios para aumentar a área de superfície e para permitir a fixação muscular e a

passagem do nervo mandibular. No próprio dia da cirurgia, a paciente foi capaz de dizer

algumas palavras e de engolir, com excelente recuperação da estética facial. Apesar das

suas vantagens, é uma tecnologia mais dispendiosa.[19] [Ilustração 9] Noutro caso, um

implante 3D foi colocado num homem de 29 anos com lesão traumática da face média

devido a um acidente de viação. Os principais problemas, tal como nas próteses

tradicionais, são a exposição do implante e a sua infeção.[2]

Ilustração 9 A. Implante mandibular 3D de titânio com revestimento de biocerâmica; B. A mandíbula foi removida na totalidade e o implante é colocado na sua posição; C. Radiografia pós-cirurgia. (em http://www.xilloc.com/patients/stories/total-mandibular-implant/)

Os guias cirúrgicos 3D são utilizados como guias de corte durante resseções

ósseas ou para reconstruir partes em falta durante a cirurgia reconstrutiva. Foram usados

na osteotomia para tratamento da microssomia hemifacial, hipoplasia mandibular e

Síndrome Parry-Romberg, para tratamento de osteocondroma do côndilo mandibular, na

genioplastia, na reconstrução mandibular com flap livre, na redução de fraturas

mandibulares, maxilares ou dos côndilos e ainda como guias de corte para

reposicionamento maxilar.[2] [Ilustração 10]

21

Ilustração 10 Fixador cirúrgico impresso a 3D para osteotomia mandibular usado durante cirurgia reconstrutiva.[20]

BIOPRINTING

Na área da Medicina regenerativa, os scaffolds são os elementos-chave, uma vez

que fornecem o suporte físico necessário para a adesão, proliferação e diferenciação das

células implantadas. Por isso, é importante controlar a sua biocompatibilidade,

porosidade e interconectividade para permitir o fluxo de nutrientes, a vascularização e o

crescimento celular. No entanto, os métodos convencionais para a construção de

scaffolds não permitem o controlo preciso das características estruturais internas nem da

sua topologia. A utilização da Impressão a 3D é uma solução potencial e uma das

aplicações mais aguardadas desta tecnologia. O Bioprinting consiste, então, na

construção automatizada de scaffolds 3D complexos e biocompatíveis através da

deposição camada-a-camada de células vivas, biomateriais e moléculas de interesse

num substrato. Para além da sua aplicação no transplante de órgãos e tecidos, é uma

estratégia efetiva para estudar a progressão de doenças, nomeadamente as oncológicas,

e o mecanismo de ação de fármacos.[21][22]

Apesar de ser uma área recente, já há resultados promissores na criação de pele e

osso in vivo.[17] No entanto, existem outros estudos, envolvendo a formação de

cartilagem, músculo e tecido adiposo por Bioprinting, mas ainda sem resultados in

vivo.[4] Por exemplo, imprimiram-se scaffolds 3D com células estaminais

mesenquimatosas para criar estruturas com lúmen e função traqueal para posterior

implantação em ratos com defeitos traqueais. Recentemente, modelos animais também

demonstraram bons resultados com scaffolds 3D que permitiram o crescimento ósseo

para reparação de anomalias maxilofaciais, evitando a necessidade de autoenxertos.[10]

22

Também Li et al., imprimiram um implante ossicular com libertação controlada de

proteínas morfogénicas ósseas do tipo 2 (BMP-2) e implantaram-na em porcos. Após 3

meses, confirmaram que o implante induzia a osteogénese sem alterar a forma da parte

timpânica do osso temporal.[7]

O Bioprinting in vivo é possível e tem grande potencial para uso clínico no

futuro. Tem havido um avanço significativo no controlo das condições de impressão a

3D para minimizar o dano celular e imitar de forma adequada o ambiente extracelular.

No entanto, ainda está em fase de desenvolvimento e novos estudos são necessários.

LIMITAÇÕES DA IMPRESSÃO A 3D

Como visto anteriormente, as aplicações médicas da Impressão a 3D são

inúmeras, desde a educação médica até ao tratamento personalizado do paciente. No

entanto, por ser recente na Medicina, os estudos publicados são vagos e as conclusões

carecem ainda de evidência.

A Impressão a 3D tem limitações inerentes ao seu funcionamento. Para além de

ser necessária uma equipa multidisciplinar, o tempo necessário para a sua aplicação,

desde a obtenção de imagens por TC ou RMN até à impressão final, faz com que não

seja indicada para situações urgentes. O tamanho do modelo impresso é limitado pelo

tamanho da impressora e a sua precisão depende do tipo de impressora. A necessidade

de pós-processamento para remover o excesso de material e suavizar as bordas, embora

varie com o tipo de impressora, não é negligenciável. Para além disso, os materiais

usados são muitas vezes demasiado resistentes para a incisão com bisturi e para a

aplicação de suturas. Também a quantidade de materiais aprovados para aplicações

médicas permanece limitada, com aumento do seu custo total. Por isso, novos avanços

estão dependentes do desenvolvimento de novas impressoras e materiais.[10]

A qualidade da evidência que avalia a importância dos modelos anatómicos 3D

na educação médica é baixa a moderada, dado que a maioria dos estudos é de caso-

controlo e a metodologia utilizada não é suficientemente clara para determinar a classe

de evidência. Se os participantes nos estudos são maioritariamente internos de formação

específica, é imperativo que os modelos 3D sejam validados quanto à sua verdadeira

utilidade. Os modelos de simulação devem se assemelhar ao cenário real o mais

23

próximo possível para que as técnicas desenvolvidas sejam transferíveis para o mundo

clínico e passíveis de processo de validação. Apesar disso, os internos consideram os

modelos úteis e acreditam que as suas técnicas cirúrgicas melhoram após o seu uso.[23]

A crescente pressão económica sobre os cuidados de saúde torna cada vez mais

importante a procura de tecnologias com melhor relação custo-efetividade. O preço das

impressoras 3D pode variar entre as centenas e os milhares de euros, como nas

impressoras de Bioprinting. Alguns estudos sugerem que é uma boa medida custo-

efetiva, uma vez que a complexidade de alguns casos justifica o custo adicional. No

entanto, o custo elevado desta tecnologia, associado a vantagens frequentemente

limitadas ou não comprovadas, torna questionável a sua utilização rentável em todos os

pacientes e áreas médicas.[6] Por isso, são necessários mais estudos para comprovar se o

aumento dos custos pode ser equilibrado com as vantagens desta tecnologia.

24

CONCLUSÃO

A utilização da Impressão a 3D na área da Medicina é uma tecnologia recente,

mas promissora, uma vez que utiliza dados de imagem do paciente para criar modelos

complexos e personalizados de forma rápida. As aplicações em ORL e na Cirurgia

Maxilofacial têm sido inúmeras. As próteses, os implantes e os guias cirúrgicos

personalizados e impressos a 3D podem reduzir o tempo de cirurgia e melhorar os

resultados da mesma. Os modelos anatómicos usados em educação permitem uma

melhor visualização da anatomia normal e patológica e são úteis no planeamento pré-

cirúrgico, já que os cirurgiões podem treinar a melhor abordagem cirúrgica, predizer

resultados e antecipar eventuais prolemas que possam surgir. Com os recentes avanços

no Bioprinting, poderá ser possível implantar enxertos biologicamente funcionais

impressos a 3D para reconstrução de lesões num futuro próximo. No entanto, por ser

uma tecnologia recente na área da Medicina, os estudos publicados são vagos e as

conclusões carecem ainda de evidência. Com a crescente importância da Medicina

personalizada, torna-se necessário apostar ainda mais na investigação desta tecnologia.

25

BIBLIOGRAFIA 1. AlAli, A.B., Griffin, M.F. and Butler, P.E. (2015) Three-Dimensional Printing Surgical Applications. Eplasty, 15, e37.

http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?artid=4539849&tool=pmcentrez&rendertype=abstract.

2. Hoang, D., Perrault, D., Stevanovic, M. and Ghiassi, A. (2016) Surgical applications of three-dimensional printing: a review of the current literature & how to get started. Annals of Translational Medicine, 4, 456–456. http://atm.amegroups.com/article/view/12912/13270.

3. Kim, G.B., Lee, S., Kim, H., Yang, D.H., Kim, Y., Kyung, Y.S., et al. (2016) Three-Dimensional Printing : Basic Principles and Applications in Medicine and Radiology. 17, 182–197.

4. Nyberg, E.L., Farris, A.L., Hung, B.P., Dias, M., Garcia, J.R., Dorafshar, A.H., et al. (2017) 3D-Printing Technologies for Craniofacial Rehabilitation, Reconstruction, and Regeneration. Annals of Biomedical Engineering, 45, 45–57.

5. Baskaran, V., Štrkalj, G., Štrkalj, M. and Di Ieva, A. (2016) Current Applications and Future Perspectives of the Use of 3D Printing in Anatomical Training and Neurosurgery. Frontiers in Neuroanatomy, 10, 1–7. http://journal.frontiersin.org/Article/10.3389/fnana.2016.00069/abstract.

6. Tack, P., Victor, J., Gemmel, P. and Annemans, L. (2016) 3D-printing techniques in a medical setting: A systematic literature review. BioMedical Engineering Online, 15, 1–21.

7. Zhong, N. and Zhao, X. (2017) 3D printing for clinical application in otorhinolaryngology. European Archives of Oto-Rhino-Laryngology, 274, 4079–4089.

8. Takahashi, K., Morita, Y., Ohshima, S., Izumi, S., Kubota, Y., Yamamoto, Y., et al. (2017) Creating an Optimal 3D Printed Model for Temporal Bone Dissection Training. Annals of Otology, Rhinology and Laryngology, 126, 530–536.

9. Hamdan, A.L., Haddad, G., Haydar, A. and Hamade, R. (2017) The 3D Printing of the Paralyzed Vocal Fold: Added Value in Injection Laryngoplasty. Journal of Voice, 2017: 10.1016/j.jvoice.2017.07.011. http://dx.doi.org/10.1016/j.jvoice.2017.07.011.

10. Crafts, T.D., Ellsperman, S.E., Wannemuehler, T.J., Bellicchi, T.D., Shipchandler, T.Z. and Mantravadi, A. V (2016) Three-Dimensional Printing and Its Applications in Otorhinolaryngology– Head and Neck Surgery. American Academy of Otolaryngology—Head and Neck Surgery Foundation, 2016: 10.1177/0194599816678372.

11. He, Y., Xue, G.H. and Fu, J.Z. (2014) Fabrication of low cost soft tissue prostheses with the desktop 3D printer. Scientific Reports, 4, 1–7.

12. An, J. and Chua, C.K. (2016) An engineering perspective on 3D printed personalized scaffolds for tracheal suspension technique. Journal of Thoracic Disease, 8, E1723–E1725.

13. Hollister, S.J., Green, G.E., Morrison, R.J., Hollister, S.J., Niedner, M.F., Mahani, M.G., et al. (2016) Mitigation of tracheobronchomalacia with 3D- printed personalized medical devices in pediatric patients Mitigation of tracheobronchomalacia with 3D-printed personalized medical devices in pediatric patients. 7, 1–12.

14. Rehmani, S.S., Al-Ayoubi, A.M., Ayub, A., Barsky, M., Lewis, E., Flores, R., et al. (2017) Three-Dimensional-Printed Bioengineered Tracheal Grafts: Preclinical Results and Potential for Human Use. Annals of Thoracic Surgery, 104, 998–1004. http://dx.doi.org/10.1016/j.athoracsur.2017.03.051.

15. Parthasarathy, J. (2014) 3D modeling, custom implants and its future perspectives in craniofacial surgery. Annals of Maxillofacial Surgery, 4, 9. http://www.amsjournal.com/text.asp?2014/4/1/9/133065.

16. Yusa, K., Yamanochi, H., Takagi, A. and Iino, M. (2017) Three-Dimensional Printing Model as a Tool to Assist in Surgery for Large Mandibular Tumour: a Case Report. Journal of Oral and Maxillofacial Research, 8, 1–7. http://www.ejomr.org/JOMR/archives/2017/2/e4/v8n2e4ht.htm.

17. Jariwala, S.H., Lewis, G.S., Bushman, Z.J., Adair, J.H. and Donahue, H.J. (2015) 3D Printing of Personalized Artificial Bone Scaffolds. 3D Printing and Additive Manufacturing, 2, 56–64. http://online.liebertpub.com/doi/10.1089/3dp.2015.0001.

18. Steinbacher, D.M. (2015) Three-Dimensional Analysis and Surgical Planning in Craniomaxillofacial Surgery. YJOMS, 73, S40–S56. http://dx.doi.org/10.1016/j.joms.2015.04.038.

19. Nickels, L. (2012) World ’ s first patient- specific jaw implant. 2012: 10.1016/S0026-0657(12)70128-5.

20. Dodziuk, H. (2016) Applications of 3D printing in healthcare. Kardiochirurgia i Torakochirurgia Polska, 13, 283–293.

21. Li, J., Chen, M., Fan, X. and Zhou, H. (2016) Recent advances in bioprinting techniques: Approaches, applications and future prospects. Journal of Translational Medicine, 14.

22. Chia, H.N. and Wu, B.M. (2015) Recent advances in 3D printing of biomaterials. Journal of Biological Engineering, 9, 1–14.

23. Kostusiak, M., Hart, M., Barone, D.G., Hofmann, R., Kirollos, R., Santarius, T., et al. (2017) Methodological shortcomings in the literature evaluating the role and applications of 3D training for surgical trainees. Medical Teacher, 39, 1168–1173. https://doi.org/10.1080/0142159X.2017.1362102.