L’imprimante 3D est une technologie dont les premiers concepts remontent aux années 60. Cette technologie peut s’appliquer à différents domaines comme la recherche ou l’industrie par exemple.
Dans cet article, nous nous intéresserons aux applications dans le domaine médical.
Qu’est-ce qu’une imprimante 3D ?
L’imprimante 3D est une technologie dont les premiers concepts sont apparus dans les années 1960. Cette technologie repose sur un procédé de fabrication tridimensionnelle d’un objet. En industrie, ce procédé est appelé « fabrication additive ».
Pour fabriquer un objet en 3D, on utilise un logiciel de conception assistée par ordinateur (CAO). En façonnant par ordinateur l’objet, on pourra fabriquer l’objet en utilisant une fabrication par couches successives qui vont donner l’aspect final de l’objet. Pour avoir un objet de qualité, il est nécessaire de se former à la conception assistée par ordinateur.
Il existe plusieurs types d’imprimante 3D. Plusieurs types de matériaux et techniques d’addition de couches suivant le type d’imprimante utilisée.
Les matériaux pouvant être utilisés par une imprimante 3D sont les suivants :
- Le plastique (le plus courant)
- Le métal
- Céramique
- Verre
- Sable
- Aliments
Les différentes techniques d’impression en 3D
Il existe plusieurs types de procédés pour additionner les couches. Chacun de ces procédés correspond à un ou plusieurs types de matériaux :
- L’impression par dépôt de matière fondue qui repose sur l’extrusion d’une bobine de fil thermoplastique chauffée
- La fusion sélective par laser qui repose sur l’utilisation du laser pour faire fondre des matériaux réduits en poudre. Chaque couche est additionnée en 2D l’une sur l’autre. La solidification des couches se fait automatiquement après l’arrêt du laser. Les matériaux utilisés pour ce procédé sont les métaux, le plastique et la céramique.
- Le frittage sélectif par laser qui repose sur l’utilisation d’un laser qui balaie chaque couche en provoquant le frittage d’une poudre placée dans un bac. Les matériaux pouvant être utilisés sont les thermoplastiques, les métaux et les céramiques
- La fusion par faisceau d’électrons qui repose sur l’utilisation d’un faisceau d’électrons pour fabriquer les couches à partir de la fusion d’une poudre métallique. Le métal le plus utilisé est le titane.
- La stéréolithographie qui repose sur la polymérisation de couches successives par un laser sur un bain de matériaux liquides. Les matériaux utilisés sont des élastomères ou des plastiques thermodurcissables
- La photo polymérisation repose sur la polymérisation de couches successives grâce à un faisceau de lumière ultraviolette. Les matériaux utilisés sont essentiellement des matériaux plastiques
- La modélisation d’objets laminés repose sur l’addition de couches successives grâce à l’utilisation d’adhésif. Les matériaux utilisés sont le papier, les plastiques et les céramiques
Il existe d’autres procédés comme l’impression 3D d’objet en verre, l’impression de sable ou l’impression alimentaire par exemple.
En biologie, une nouvelle méthode d’impression a été développée : l’impression 4D qui s’appuie sur l’utilisation de matière vivante dans l’impression 3D ajoutant ainsi une dimension temporelle à l’impression.
Domaines d’application de l’impression 3D
L’impression 3D peut être utilisée dans divers domaines :
- La recherche et la médecine (nous traiterons cette partie plus tard dans l’article)
- L’industrie aéronautique
- L’agroalimentaire
- L’armée
- Les particuliers et les fablabs
- La musique
Dans le domaine de l’aéronautique, l’impression 3D est utilisée pour maquetter des avions ou concevoir des pièces plus légères dans les avions tout en limitant les défauts de conception.
En ce qui concerne l’agroalimentaire, l’impression 3D se fait à l’aide d’une pâte que l’on chauffe et refroidit couche par couche pour donner forme à l’objet désiré. Il peut s’agir d’une pizza ou d’un plat de résistance par exemple.
Dans le cadre de la défense et des forces de l’ordre, l’impression 3D peut servir à fabriquer des armes et des systèmes de défense.
L’impression 3D est une technologie qui tend à se démocratiser avec le phénomène du Do It Yourself grâce aux fablabs qui sont des lieux d’expérimentations pour de nouvelles technologies à la portée du grand public.
Concernant l’impression 3D dans le domaine musical, cette technologie peut servir dans la fabrication des instruments et équipements de scène tels que les enceintes acoustiques par exemple.
Dans le cadre de la recherche, l’impression 3D peut servir de diverses manières telles que la reconstitution de fossiles en archéologie ou de tissus humains en biologie par exemple (nous développerons l’aspect médical des applications dans la partie suivante)
Applications de la technologie d’impression 3D dans le domaine médical
Les applications de l’impression 3D sont très variées dans le domaine médical. Cette technologie peut servir aux personnes amputées ou étant nées avec des membres en moins grâce à des prothèses.
L’impression 3D est une technologie qui apporte de sérieux avantages aux chirurgiens ainsi qu’aux patients. En effet, cette technologie peut être utilisée pour recréer un organe par bio impression c’est-à-dire que l’on va utiliser des couches successives de tissus pour construire l’organe considéré.
Cela pourra faciliter l’implantation sur mesure à l’aide de matériaux bio compatibles tels que le titane par exemple. Les premiers implants effectués ont été des prothèses de hanches adaptées aux morphologies des patients. Ces implants sont faits avec un alliage de titane, ils ont été développés par l’entreprise belge Mobelife qui est spécialisée dans la chirurgie de la hanche. Pour chaque intervention, elle fournit une maquette ainsi qu’un implant aux mesures du patient.
Il existe également des prothèses de main imprimées en 3D. Les matériaux utilisés pour la prothèse de main sont différents. Ces prothèse sont essentiellement fabriquées avec du plastique associé au titane. Ces prothèses sont souvent fabriquées pour des enfants dont il manque un membre. Ces prothèses sont conçues et imprimées par l’entreprise E-Nable pour des enfants.
Les imprimantes 3D à bio impression peuvent utiliser des cellules humaines pour imprimer des tissus vivants. Cette technique est développée à Bordeaux par l’Unité Inserm Biotis en ingénierie tissulaire. L’impression se fait grâce à des cellules mises en suspension. Celles-ci s’additionnent en couches pour donner la forme au tissu considéré. La conception se fait grâce aux données recueillies par scanner dont la résolution tridimensionnelle est suffisamment importante pour constituer une base pour l’impression.
L’imprimante 3D peut servir dans la formation des chirurgiens. Les jeunes chirurgiens peuvent s’entrainer à la reconstruction de crâne comme à Dijon ou la reconstruction de peau par exemple. Une imprimante 3D industrielle pouvant faire de la bio impression peut coûter plusieurs centaines de milliers d’euros. Cependant il est possible de faire de la bio impression avec une imprimante 3D à un prix plus abordable en la couplant avec les scanners qui donnent une image tridimensionnelle de qualité. L’utilisation de cette technologie est importante pour les chirurgiens expérimentés. En effet, elle leur permet d’accélérer une intervention au bloc.
Il existe d’autres initiatives à destination des personnes aveugles. En effet, des chercheurs japonais développent des plans adaptés aux aveugles grâce à l’impression 3D. Il s’agit plus particulièrement d’un logiciel permettant l’adaptation des cartes imprimables en 3D pour les personnes aveugles.
Ces initiatives se déclinent même pour les animaux. Certains animaux ont pu bénéficier de l’impression 3D comme une tortue dont la carapace présentait des malformations dues à une mal nutrition par exemple. Il existe donc des prothèses pour animaux créés par impression 3D. C’est le cas d’une petite femelle chihuahua née avec membres partiellement formés qui ont fini par dégénérer par nécrose des cellules. Pour lui permettre de se mouvoir plus facilement, des prothèses de pattes avant et un petit chariot seront imprimés en 3D lorsque celle-ci aura atteint sa taille adulte.
Le fait de construire des éléments en 3D permet de diminuer les coûts tout en offrant un large panel de fonctionnalités sur des objets classiques. Cela permet également de gagner du temps lors d’interventions chirurgicales comme la transplantation d’organes dont la liste d’attente est trop longue pour la survie d’un patient.
L’impression 3D est idéale pour personnaliser les interventions chirurgicales c’est-à-dire que les prothèses sont totalement adaptées à la morphologie du patient. Avant l’utilisation de cette technologie, il était difficile de proposer des prothèses totalement adaptées. Il n’existait que des tailles génériques de prothèses qui n’étaient pas forcément pratiques à utiliser.
La première intervention utilisant l’impression 3D est une opération pour réparer un sternum. Celui-ci a été imprimé en 3D à partir de titane. Le fait d’utiliser du titane permet de réduire les risques d’infection et a pu réduire le temps d’intervention. Le patient ayant bénéficié de ce sternum de titane était atteint d’une infection qui détruisait ce dernier. Cette intervention a eu lieu à l’hôpital de Birmingham en Angleterre.
La start up française Poietis, spécialiste de l’impression 3D de matière vivante, a lancé une levée de fonds pour développer son activité afin de pouvoir proposer des tissus imprimés en 3D dans les blocs opératoires à l’horizon 2020. Cette jeune entreprise espère lever entre 5 et 6 millions d’euros fin 2017. Son procédé innovant permettra de sauver de nombreuses vies en fournissant aux patients des tissus neufs.
Bénéfices de l’impression 3D dans le domaine médical
La technologie d’impression 3D par frittage sélectif par laser est la plus utilisée en médecine. Elle permet notamment de créer des prothèses sur mesure pour le patient. Le fait que les prothèses soient imprimées sur mesures permet aux patients un meilleur confort lors de la pose.
Elle permet également un meilleur déplacement dans le cas d’une prothèse de hanche ou de jambe par exemple. L’impression en 3D permet de prototyper rapidement des éléments avant l’intervention et de gagner du temps sur la pose d’une prothèse sur l’intégration d’un organe comme un cœur par exemple.
En recherche médicale, l’impression 3D peut être utilisée pour visualiser, comprendre et manipuler des concepts et des organes. En effet, le fait de visualiser des organes permet d’en comprendre les mécanismes de fonctionnement pour les étudiants et les chercheurs sans avoir à manipuler directement l’organe.
A l’heure actuelle, les techniques d’impression les plus utilisées en médecine sont l’impression utilisant des bobines de fil plastiques pour les prothèses de membres, l’impression utilisant du titane pour des prothèses d’os et l’impression sur céramique pour des prothèses dentaires ou auditive. Certes, l’utilisation d’une imprimante 3D nécessite une formation à la conception assistée par ordinateur mais les scanners et IRM installés dans les hôpitaux permettent d’avoir une reproduction fidèle de l’élément que nous voulons imprimer en 3D en vue d’une implantation chirurgicale.
Conclusion
L’impression 3D présente certes des avantages dans la qualité de vie mais cette technologie présente également des inconvénients au niveau médical. Lors d’une intervention classique, les rejets de prothèses sont courants. Il n’est donc pas exclu que l’intervention présente un rejet même si les matériaux sont bio compatibles avec l’organisme.
A l’heure actuelle, la médecine ne sait pas comment gérer une situation de rejet d’un élément imprimé en 3D. Il est donc nécessaire d’étudier cette possibilité. Pour pallier à cette éventualité, il serait intéressant d’utiliser la réalité virtuelle pour préparer l’intervention en cas de rejet. La réalité augmentée permettrait également de connaitre en temps réel le dossier du patient pendant l’intervention.
Par Mounir Lehiani, promotion 2017-2018 du master 2 IESCI
Bibliographie :
https://3dprintmedical.info/implantation-dun-sternum-en-titane-imprime-en-3d/
https://fr.wikipedia.org/wiki/Impression_3D
http://www.zesmallfactory.com/news/417-comment-limpression-3d-change-la-medecine/
https://www.autodesk.fr/solutions/3d-printing
https://esemfrance.fr/imprimante-3d-dentaire
www.monunivers3d.com/medecine/
www.additiverse.com/category/actu-cat/actu-sante-sous-cat/page/5/
