O design generativo oferece solução para implantes de joelho específicos do paciente

Fluxo de trabalho G-DfAM para fixações de placas HTO, projetos conceituais de placas GD HTO, b otimização de projetos de projetos conceituais de placas GD, c preparação de construção PBF-EB, d fabricação PBF-EB de placas Ti-6Al-4 V, e acabamento em massa, f inspeção óptica de superfície, g usinagem CNC de furos de chapas e roscas. Crédito: Progresso na Manufatura Aditiva (2022). DOI: 10.1007/s40964-022-00342-2

Uma técnica de design avançada, usada para desenvolver componentes para as indústrias aeroespacial e automotiva, foi aproveitada na produção de dispositivos médicos sob medida.

Pesquisadores da Universidade de Birmingham, trabalhando em parceria com especialistas em software de design Autodesk, Manufacturing Technology Center (Centro Nacional do Reino Unido para Manufatura Aditiva) e os Hospitais Universitários de Birmingham, usaram uma técnica chamada Generative Design para produzir um joelho implantar que pode ser usado para tratar a osteoartrite.

Um documento de prova de conceito descrevendo o fluxo de trabalho abrangente de design detalhado e processos de fabricação avançados para um dispositivo de fixação óssea específico para o paciente projetado de forma generativa foi publicado em Progresso na Manufatura Aditiva.

Usos de design generativo inteligência artificial (IA) e aprendizado de máquina para projetar peças que podem ser fabricadas para serem absolutamente ideais para o uso pretendido. Para uma aeronave ou um carro, por exemplo, este pode ser um componente mais leve e mais forte, levando a um aumento eficiência do combustível e menor CO₂ emissões. Este estudo é a primeira aplicação conhecida de Generative Design a um dispositivo biomédico implantável.

Existem várias vantagens em poder usar essa tecnologia em aplicações médicas. Por exemplo, os atuais implantes de joelho para tratamento de artrite do joelho são fabricados em um número limitado de formas e tamanhos.

Embora novas técnicas de impressão 3D estejam começando a ser empregadas para fazer implantes projetados para a forma de um paciente individual, isso não leva em consideração as restrições impostas pelo planejamento cirúrgico, bem como o peso ou os níveis de atividade do paciente. Estes são elementos importantes para entender como a anatomia de um paciente e um implante de joelho irão interagir e são cruciais para o desenho do implante e reabilitação pós-cirúrgica.

O design generativo permite que os implantes sejam biomecanicamente específicos, para que o implante seja adaptado à carga que suportará. Isso também permite que o produto final seja mais leve, menos proeminente e minimamente invasivo, o que significa que o paciente cicatrizará mais rapidamente e também terá menos probabilidade de precisar de cirurgia de revisão.

No novo estudo, os pesquisadores definiram como o projeto produzido pelo software da Autodesk pode ser fabricado e processado em um protótipo funcional, incluindo quanto do processo pode ser automatizado.

O pesquisador principal e de pós-graduação, Sanjeevan Kanagalingam, da Universidade de Birmingham, diz que “a abordagem de ‘tamanho único’ usada na cirurgia do joelho para tratar a osteoartrite pode resultar em grandes complicações, principalmente devido a projetos de implantes com engenharia excessiva e, portanto, limita a adoção cirúrgica e os resultados dos pacientes.”

“Esta interface de design integrada de IA nos permite configurar parâmetros de planejamento cirúrgico personalizados e levar em consideração informações biomecânicas pessoais e combiná-las sinergicamente com a inteligência de fabricação incorporada para modelar implantes de titânio de grau médico específicos para cada paciente”.

A Investigadora Principal e Professora Sénior, Dra. Lauren Thomas-Seale, também da Universidade de Birmingham, acrescentou que “a combinação do conhecimento académico, industrial e clínico da equipa que trabalha neste projecto, e o vasto espaço de design oferecido pela Generative Design, produziu designs de implantes além de qualquer coisa que tenha sido vista antes.”

“Tal abordagem, observando a diversidade da equipe do projeto, permitiu o desenvolvimento de um processo de design que pode levar em conta as muitas diferenças entre os pacientes, por exemplo, a variação entre a massa corporal masculina e feminina”.

Os próximos passos serão testar mecanicamente os dispositivos para ver o quanto eles dobram e flexionam sob cargas. Se for bem-sucedido, a equipe eventualmente passará para os testes clínicos.

Kanagalingam concluiu que “essa abordagem de design generativo não apenas aumenta a especificidade do paciente das fixações ósseas, mas também serve como uma estrutura nova e versátil no design de implantes específicos do paciente para os quadris, ombros e cirurgias maxilofaciais”.