Driedimensionale geprinte op maat gemaakte implantaten in orthopedische chirurgie

Samenvatting

Dit protocol beschrijft de klinische en technische workflow voor het ontwerpen en implementeren van op maat gemaakte 3D-geprinte implantaten in orthopedische chirurgie, met als doel gepersonaliseerde chirurgische oplossingen te bieden voor patiënten met complex botverlies of misvormingen waar standaardimplantaten onvoldoende zijn.

Samenvatting

Het doel van dit protocol is om de klinische en technische workflow voor het gebruik van op maat gemaakte driedimensionale (3D) geprinte implantaten in orthopedische chirurgie uit te werken, met name in gevallen van complex botverlies of -deformiteit waar standaardimplantaten onvoldoende zijn. Hoewel 3D-printen brede medische toepassingen heeft gekregen, is de rol ervan in de orthopedie vooral transformerend voor patiënten met pathologieën die conventionele chirurgische oplossingen missen. Dit manuscript beschrijft het stapsgewijze proces, van de eerste evaluatie en besluitvorming van de patiënt tot het ontwerp, fabricage en de chirurgische implantatie. Belangrijke overwegingen zijn onder andere patiëntselectie, het stellen van duidelijke verwachtingen en het samenwerken van ontwerp met biomedische ingenieurs om optimale pasvorm en functionaliteit van het implantaat te waarborgen. Het protocol benadrukt de cruciale rol van hoogresolutie CT-beeldvorming, nauwkeurig computerondersteund ontwerp (CAD) en geavanceerde productietechnieken zoals poederbedfusie voor metaalimplantaten. Nabewerkingstappen, waaronder warmtebehandeling, elektrische ontladingsbewerking en oppervlakteafwerking, worden ook besproken om kwaliteitsborging bij implantaatproductie te benadrukken. Ondanks veelbelovende vroege resultaten en het potentieel voor verbeterde uitkomsten, blijft het gebruik van 3D-geprinte implantaten beperkt vanwege de verhoogde initiële kosten, het ontbreken van langetermijnuitkomstgegevens en het individuele karakter van elk geval. Desalniettemin biedt hun toepassing aanzienlijke voordelen op het gebied van maatwerk, chirurgische planning en functionele restauratie, wat de noodzaak van voortdurende research en verfijning onderstreept. Dit protocol dient als gids voor clinici die overwegen 3D-geprinte, op maat gemaakte implantaten in hun orthopedische praktijk te integreren, met als doel de behandelingsmogelijkheden voor patiënten met complexe reconstructieve behoeften uit te breiden.

Inleiding

Driedimensionale (3D) printen heeft orthopedische chirurgie gerevolutioneerd door het mogelijk te maken van patiëntspecifieke instrumenten, op maat gemaakte implantaten en preoperatieve anatomische modellen voor chirurgische planning. Deze technologie maakt snelle prototyping en maatwerkelijkheid mogelijk, wat uiteindelijk leidt tot verbeterde chirurgische resultaten door verbeterde preoperatieve planning en gepersonaliseerde chirurgische oplossingen met behulp van op maat gemaakte implantaten en instrumenten. Deze toepassingen bestrijken verschillende medische vakgebieden en niet alleen orthopedie ^1,2. Zo wordt in cardiothoracale chirurgie 3D-printen gebruikt om longslagadermodellen te printen voor chirurgische training, en in de farmaceutische industrie wordt deze technologie gebruikt om geneesmiddelen te creëren met specifieke eigenschappen die zijn afgestemd op de behoeften van de patiënt. Het genereren van 3D-geprinte anatomische modellen heeft het begrip van complexe medische aandoeningen, diagnostische nauwkeurigheid en gerichte chirurgische simulaties^{geholpen 1}. Bovendien is het potentieel voor orgaanafdrukken – ook wel bioafdrukken genoemd – onmetelijk en zal het de moderne geneeskunde herdefiniëren.

In orthopedische chirurgie heeft 3D-printtechnologie de zorg voor patiënten op tal van manieren sterk verbeterd. Zo heeft 3D-printen chirurgen in staat gesteld om op maat gemaakte protheses te maken voor patiënten met ledemaatamputaties. Deze personalisatie van protheses verbetert de functie van deze apparaten, wat mogelijk complicaties vermindert en de^hersteltijd verkort. Daarnaast helpen 3D-geprinte anatomische modellen chirurgen bij preoperatieve planning, waardoor complexe procedures beter kunnen visualiseren en simuleren – wat de patiëntuitkomsten kan verbeteren. Een van de grootste ontwikkelingen in orthopedie is echter het nut van op maat gemaakte 3D-geprinte implantaten¹. Een recent gepubliceerde 3D-review binnen orthopedische chirurgie toonde aan dat op maat gemaakte implantaten bij revisie-knieartroplastiek klinische voordelen hadden³. Hoewel niet gebruikelijk, zijn er bepaalde orthopedische pathologieën die helaas beperkte chirurgische opties hebben voor behandeling met standaardimplantaten en instrumentatie. Deze gevallen betreffen vaak gebieden met groot bot of zacht weefselverlies ^1,2. De traditionele chirurgische methoden die in deze gevallen vaak worden gebruikt, brengen hoge complicatierisico's, hoge faalpercentages met zich mee, en zelfs als ze succesvol zijn, brengen ze vaak levenslange functionele nadelen met zich mee voor de patiënt ^1,2,4. 3D-printen heeft het vermogen van chirurgen om dit soort gevallen te behandelen gerevolutioneerd en chirurgische opties geboden die voorheen niet beschikbaar waren. Dit manuscript belicht de belangrijkste stappen die betrokken zijn bij het ontwerp en de klinische toepassing van 3D-geprinte, op maat gemaakte implantaten in orthopedische chirurgie en bespreekt enkele voorbeelden.

Protocol

Alle beschermde gezondheidsinformatie is uitgesloten van de hieronder besproken afbeeldingen en gegevens. Desondanks werden patiënten geïnformeerd over het onderzoek en het gebruik van hun klinische beelden. Geïnformeerde toestemming werd verkregen. De studie hield zich aan het ethisch beleid van de instelling.

1. De ontmoeting met de patiënt

1. Bepaal of de pathologie van de patiënt geschikt is voor een op maat gemaakt 3D-geprint implantaat.
2. Zorg ervoor dat de patiënt voldoet aan de juiste criteria voor het gebruik van op maat gemaakte implantaten.
   1. Om aan de juiste criteria te voldoen, moet je ervoor zorgen dat er geen direct commercieel verkrijgbaar standaardimplantaat is dat de pathologie van de patiënt adequaat behandelt en een optimaal functioneel resultaat biedt met lage chirurgische risico's
3. Volledige medische optimalisatie.
   1. Zorg ervoor dat alle medische comorbiditeiten stabiel en correct behandeld zijn. Zo moeten patiënten met diabetes een lage A1c hebben, en patiënten met hartziekten moeten passende harttesten ondergaan om te garanderen dat ze veilig zijn voor een operatie.
4. Raadpleeg patiënt/familie uitgebreid over op maat gemaakte 3D-implantaten, inclusief de voordelen en nadelen.
5. Maak een CT-scan van het operatieve uiteinde van de patiënt met geschikte parameters.
   1. Sla de bestanden op als Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM)-bestanden. Kritieke scanparameters zijn onder andere pixelgrootte van 0,5 mm of minder en een sliceafstand van 1,25 mm of minder. Varieer de kVp tussen 100 en 140, afhankelijk van de gebruikte scanner.
   2. Leg alle relevante anatomie vast, zoals de vervormde anatomie van het bot en het omliggende chirurgische veld in het gezichtsveld van de scan, inclusief de gehele aangetaste en contralaterale voorvoet, middenvoet en achtervoet tot aan het midden van het scheenbeen.

2. Implantaatontwerp

1. Breng de beeldvorming van de patiënt, zoals een CT-scan, over naar de fabrikant van het op maat gemaakte implantaat, samen met relevante informatie (bijv. lateraliteit, indicatie, enz.). Upload de beelden direct als DICOM-bestanden naar het online portaal van de implantaatfabrikant voor het indienen van de CT-scan.
2. Converteer patiëntbeeldvorming van 2D-CT-sneden naar een 3D-model van de preoperatieve anatomie via segmentatie, waarbij botanatomie wordt gescheiden van het omliggende zachte weefsel in een op een mesh gebaseerde modelleringssoftware zoals Materialize Mimics.
   1. Importeer DICOM-scans in de software.
   2. Genereer een botmasker met behulp van het standaard botvenster .
   3. Gebruik een regio-groeialgoritme om de botanatomie te selecteren en elk bot te scheiden in een eigen masker.
   4. Verwijder handmatig alle niet-benige gebieden die in het masker zijn opgenomen met de functie 'bewerken masker'.
   5. Met behulp van de split-mask-functie scheid je alle andere botten die niet automatisch gescheiden zijn door het regio-groeialgoritme.
   6. Zet het masker om in een onderdeel met de functie Onderdeel berekenen .
   7. Exporteer elk bot als een afzonderlijk onderdeel in een .stl-bestand met behulp van de exportfunctie .
3. Importeer elk bony .stl-bestand in de mesh-gebaseerde modelleringssoftware.

3. Stel de eerste plaatsing en het ontwerp van implantaat in binnen de mesh-gebaseerde modelleringssoftware.

1. Spiegel de contralaterale anatomie om bij de getroffen kant te passen.
2. Lijn de gespiegelde contralaterale anatomie uit met een mesh gebaseerd op uitlijning van de contralaterale op de aangetaste calcaneus.
3. Visualiseer de gezonde Talus uitgelijnd met de ongezonde gewrichtsruimte.
4. Idealiseer/glad de gezonde Talus met een propriëtair algoritme (restor3d) om het eerste implantaatlichaam te creëren.
5. Pas de positie van het aangedane scheenbeen en de fibula aan om de verandering in gewrichtshoogte met het implantaatlichaam dat uit de contralaterale talus is gemaakt, weer te geven.
6. Voer een implantaatontwerpgesprek uit met de chirurg en ingenieurs om de gesegmenteerde 3D-anatomie te bekijken.
   1. Bespreek de oorspronkelijke misvorming en uitlijning van de contralaterale anatomie.
   2. Bespreek het talar-implantaat en eventuele patiëntspecifieke aanpassingen die moeten worden doorgevoerd.
   3. Bespreek de grootte van de implantaat (95%, 100%, 105% volume).
   4. Bespreek indien nodig de aanhechtingsplaatsen van het zachte weefsel.
7. Voltooi het implantaatontwerp computerondersteund ontwerp (CAD) bestand met gespecialiseerde software (bijv. Materialise 3-matic, SolidWorks).
   1. Remesh het talar-implantaat met een remeshing-functie om de grootte van de driehoeken en de gladheid van het gaas te optimaliseren.
   2. Glad elke niet-anatomische prominentie, zoals osteofyten, met lokale gladmaking of een Gaussisch gladde optie.
   3. Vul de botholtes op om de materiaalsterkte van het implantaat te vergroten.
   4. Gebruik lokale gladmaaktools om ervoor te zorgen dat de gewrichtsoppervlakken van het talar-implantaat overeenkomen met de omliggende gewrichtsoppervlakken.
8. Analyseer mechanische eigenschappen van implantaat (bijv. sterkte, oppervlakte) met behulp van eindige-elementenanalyse of analytische berekeningen. Vergelijk de voorspelde prestaties met de fysiologische belastingen die voor de klinische indicatie worden verwacht en met gepubliceerde benchmarks voor 3D-geprinte kobalt-chroomlegeringsmaterialen.
   1. Controleer of de doorsnede van het implantaat boven het minimum voor materiaalsterkte ligt.

4. 3D drukproces

1. Exporteer het definitieve implantaatontwerp CAD-bestand als een STL-bestand uit de ontwerpsoftware of een ander compatibel formaat voor additieve productie-input.
2. Snijden
   1. Importeer het STL-bestand in de native software van de 3D-printer.
   2. Definieer de printoriëntatie op basis van de kritische anatomische gebieden van het implantaat, waarbij gewrichtsoppervlakken van de bouwplaat af worden geplaatst.
   3. Genereer ondersteunende structuren zoals nodig voor overhangende elementen.
   4. Begin het slicproces binnen de printersoftware en zet de instructies om naar G-code.
3. 3D-printen van een implantaat
   1. Fabrikeren implantaten met selectief lasersmelten (SLM) of gelijkwaardige poederbedfusietechnologie met Ti-6Al-4V extra-low interstitial (ELI) poeder.
      OPMERKING: Typische medisch poeders hebben een deeltjesverdeling van 15-45 μm en worden verwerkt onder een inerte argonatmosfeer met O2-niveaus gehandhaafd ≤ 1,2 ppm.
   2. Pas scanparameters toe die door de printerfabrikant zijn geoptimaliseerd (bijv. 3D-systemen), waaronder lasertype, vermogen, luikafstand en laagdikte. Voorbeeldwaarden die in de literatuur worden gerapporteerd zijn onder andere een laagdikte van 30-60 μm, een luikafstand van 100-120 μm en een laservermogen van 150-300 W, waarbij oriëntatie wordt gedefinieerd in de z-as indien van toepassing.
      1. Gebruik een warmtebron (bijv. vezellaser of elektronenbundel) om selectief metaalpoeder (deeltjesgrootte 15-45 μm) te fuseren in een inerte argonatmosfeer (≤ 1,2 ppm_O2), waardoor het implantaat laag voor laag op de bouwplaat wordt gevormd.
   3. Controleer relevante parameters, waaronder de energiedichtheid van de bundel, de dikte van de poederlaag en de omgeving van de bouwplaat, om de dimensionale nauwkeurigheid en mechanische integriteit te waarborgen.
4. Nabewerking
   1. Verfijn de implantaateigenschappen met behulp van hete isostatische pressing (HIP) om restporositeit te elimineren, stress te verminderen en de microstructuur te verbeteren. Typische omstandigheden die in de literatuur worden gerapporteerd zijn ~920 °C bij 1000 bar gedurende 120 minuten in een inerte atmosfeer.
      OPMERKING: Alternatieve warmtebehandelingen, zoals annealing, kunnen worden toegepast afhankelijk van het implantaatmateriaal en het ontwerp.
   2. Verwijder implantaten van de bouwplaat met behulp van elektrische ontladingsbewerking (EDM). Snijd door de dunne basislaag van de constructie met gecontroleerde vonkerosie, met parameters geselecteerd om thermische schade te minimaliseren en de dimensionale nauwkeurigheid te behouden.
   3. Gebruik handgereedschap om steunen te verwijderen die voor het printen worden gebruikt (dremels, handpolijster).
   4. Breng oppervlaktebehandelingen aan om achtergebleven poeder, armaturen en ruwheid aan te passen. Blaas alle poreuze oppervlakken en poets de gewrichtsoppervlakken met de hand.
      1. Voer anodisatie uit volgens SAE AMS 2488D Type II om corrosiebestendigheid en biocompatibiliteit te verbeteren.
5. Voer een dimensionale inspectie uit van het voltooide implantaat met behulp van een hoogtemeter en gekalibreerde schuifmaat. Wanneer hogere precisie vereist is, bevestig metingen met een coördinatenmeetmachine (CMM) met het CAD-model.
   1. Inspecteer de oppervlakteafwerking en porositeit visueel en met microscopie om de nauwkeurigheid van poreuze structuren en bewerkingskenmerken te waarborgen. Bevestig dat de oppervlakteruwheidswaarden (Ra) binnen de ontwerpspecificaties voor osseointegratie en instrumentatie-interfaces vallen.
   2. Controleer mechanische eigenschappen door lot-release tests uitgevoerd op dogbone-monsters die op dezelfde bouwplaat zijn afgedrukt. Testmonsters ondergaan trektesten om te bevestigen dat de mechanische sterkte voldoet aan gepubliceerde normen voor Ti-6Al-4V ELI (of andere implantaatlegering). Registreer afmetingen van testmonsters om de nauwkeurigheid van de afdruk te valideren.

5. De operatie

1. Preoperatieve voorbereiding
   1. Zie patiëntontmoeting (stap 1)
   2. Geef preoperatieve counseling over de risico's en voordelen van de operatie.
   3. Vraag om geïnformeerde toestemming voor de operatie.
   4. Voer indien nodig een preoperatieve evaluatie uit door het anesthesieteam.
2. Chirurgische ingreep (Totale Talusvervanging)
   1. Leg de patiënt onder algehele narcose op de operatietafel en bevestig de patiënt aan de tafel.
   2. Breng de juiste vulling aan op alle gebieden met botige prominentie.
   3. Breng een tourniquet aan op het operatieve uiteinde.
   4. Daarna steriel voorbereiden en bedekken ze het operatieve uiteinde.
   5. Voer een chirurgische time-out uit volgens het ziekenhuisbeleid, waarbij de juiste patiënt, lateraliteit en procedure worden bevestigd.
   6. Dien preoperatieve antibiotica toe volgens het ziekenhuisprotocol.
   7. Gebruik een voorste benadering om toegang te krijgen tot het enkelgewricht, waarbij gebruik wordt gemaakt van het interval tussen de extensor hallucis longus en tibialis anterior pezen.
   8. Trek de neurovasculaire bundel voorzichtig lateraal terug en bescherm deze gedurende de procedure.
   9. Identificeer en open de enkelgewrichtscapsule in de lengte.
   10. Verwijder de inheemse avasculaire/beschadigde staal met behulp van het zaagblad, osteotomen en ronguers. Er wordt zorgvuldig gelet op de bescherming van de gewrichtsoppervlakken van het distale scheenbeen, de naviculaire en de calcaneus.
   11. Na het verwijderen van de talus gebruik je de sizers om de juiste grootte van het talarimplantaat te bepalen.
   12. Zodra de juiste maat is bepaald, plaats je het passend formaat 3D-geprinte implantaat in de enkel. Bevestig de juiste plaatsing met intraoperatieve fluoroscopie en klinische evaluatie.
   13. Spoel daarna de wond en sluit ze in lagen van de wond.
   14. Breng steriele verbanden aan en plaats de patiënt in een goed gevoerde spalk.
3. Postoperatief protocol
   1. Verwijder de hechtingen 2-3 weken postoperatief.
   2. Begin met gewichtsdragende sessies na 8-12 weken postoperatief, afhankelijk van het geval.
      OPMERKING: Het eerste gewicht is in een laars en de overgang naar een gewone schoen over enkele weken. Fysiotherapie is optioneel, maar wordt aanbevolen voor looptraining en mobiliteitsverbetering.

Resultaten

Over het algemeen zijn de langetermijnresultaten van 3D-printen in orthopedische chirurgie beperkt vanwege de kleine steekproefgrootte en de korte tijd dat 3D-printen in de geneeskunde is gebruikt. Er zijn op dit moment enkele representatieve gegevens beschikbaar.

Hieronder staan drie voorbeelden van patiënten die werden behandeld met 3D-geprinte implantaten, met schaarse alternatieven voor grote botafwijkingen of destructieve gewrichtspathologie. De implantaten zijn allemaal ontworpen volgens het hierboven besproken protocol.

Patiënt 1

Een 43-jarige man heeft een chronische geschiedenis van pijn in de linkerenkel. Patiënt 1 liep een halsbreuk van de talar op die meer dan tien jaar eerder niet-operatief was behandeld. Röntgenfoto's en CT-scanbeelden zoals weergegeven in Figuur 1 en Figuur 2 tonen talar avasculaire necrose met significante sclerose en fragmentatie van de talus. De aangrenzende gewrichtsoppervlakken zijn goed bewaard gebleven - maar de talus vertoont aanzienlijke fragmentatie en sclerose die consistent is met gevorderde talaire avasculaire necrose. De patiënt werd gezien in een buitenfaciliteit en kreeg een artrodese-procedure aangeboden om de subtalare en enkelgewrichten te verstevigen. De patiënt meldt dat een volledige bewegingsvrijheid vereist is om bepaalde schoenen voor het werk te kunnen dragen, en dat de patiënt geen fusie van zijn enkelgewricht kan hebben. Bij het bespreken van opties met de patiënt bespraken we dat een alternatief een op maat gemaakte 3D-geprinte totale talus is. Dit is een relatief nieuwere chirurgische optie zonder langetermijngegevens; deze optie maakt echter het behoud van zijn gewrichten en bewegingsvrijheid mogelijk. We bespraken uitgebreid de risico's die met deze procedure gepaard gaan en het gebrek aan langetermijngegevens. De patiënt gaf echter aan dat fusie geen optie is. Na uitgebreid overleg besloot de patiënt door te gaan met een op maat gemaakte 3D-geprinte totale talusvervanging. In het geval van deze patiënt kozen we ervoor om een titaniumlegering te gebruiken als implantaatmateriaal. Dit materiaal heeft vergelijkbare biomechanische eigenschappen als het oorspronkelijke bot en heeft optimale slijtage-eigenschappen om het risico op schade aan het omliggende kraakbeen te verminderen.

De talus is ontworpen om de contralaterale talus van de patiënt te spiegelen, wat normaal is zonder ziekte. Postoperatieve beeldvorming die bij zijn postoperatieve afspraak na 6 weken is verkregen, is weergegeven in Figuur 3. De patiënt meldt dat hij postoperatief goed loopt, zonder pijn, en verbeteringen in zijn functionele niveau heeft laten zien. De patiënt meldt dat zijn bewegingsvrijheid postoperatief is toegenomen en hij ongeveer 10 graden dorsiflexie heeft met 35 graden plantaire flexie.

Patiënt 2

Een 20-jarige vrouw die zich presenteert met pijn en zwelling in de linkervoet als gevolg van een bekende reuzenceltumor van de eerste middenvoetsbeentsbeentje. De patiënt werd aanvankelijk behandeld met saucerisatie en bottransplantatie - een procedure waarbij de tumor wordt verwijderd en vervangen door botmateriaal. Röntgenfoto's en CT-scanbeelden (Figuur 4 en Figuur 5) toonden een expansile lytische laesie gecentreerd in het eerste middenvoetsbeentje, compatibel met een biopsie-bewezen reuzenceltumor. Vanwege aanhoudende symptomen bij activiteit en verergering door het slijten van de schoenen, wilde de patiënt doorgaan met een chirurgische resectie van het gehele middenvoetsbeentje. Ze had in het verleden minder invasieve en lokale procedures geprobeerd die niet werkten. De chirurgische resectie van het middenvoetsbeentje is een grote ingreep, en de uitdaging is de reconstructie van het gerepte gebied.

Tijdens het gesprek met de patiënt bespraken we haar opties, waaronder het vervangen van het hele middenvoetsbeentje door een 3D-geprint bot of het gebruik van bot dat uit haar been is gehaald, wat een fibula-autograft zou zijn. We bespraken de risico's van kuitbeentransplantatie, waaronder morbiditeit op de graftplaats en het hoge risico op niet-vereniging. Een andere optie is een gedeeltelijke amputatie van haar voet, waar ze niet in geïnteresseerd was. Na uitgebreide gesprekken met de patiënte en haar familie tijdens meerdere bezoeken, besloot ze door te gaan met een 3D-geprint, op maat gemaakt implantaat. Een op maat gemaakte metatarsale kooi kan de lengte en anatomie van de patiënt behouden, een mechanisch robuuster constructie bieden dan autograft, en draagt niet de morbiditeit van de donorplaats die gepaard gaat met vrije fibula-oogst. Preoperatieve ontwerpen die via het ontwerpgesprek met ingenieurs zijn gemaakt, worden weergegeven in Figuur 6. Deze procedure werd uitgevoerd samen met het orthopedische oncologieteam om ervoor te zorgen dat de resectie correct werd uitgevoerd. Foto's van het implantaat op de dag van de operatie zijn te zien in Figuur 7. Net als patiënt 1 is het gekozen implantaatmateriaal een titaniumlegering, die qua biomechanische eigenschappen vergelijkbaar is met corticaal bot.

Postoperatief werd ze in totaal 12 weken niet belastend gehouden. Ze begon met het dragen van gewicht op 12 weken in een laars en ging geleidelijk uit de laars na 4 maanden. Postoperatieve röntgenbeeldvorming (Figuur 8) na 3 maanden toonde geen bewijs van hardwarefalen met enige botintegratie van haar implantaat. Bij haar bezoek na zes maanden was ze volledig uit de laars gestapt en begon ze met haar rustige activiteiten. Een CT-scan die tijdens het 6-maanden-bezoek werd gemaakt, toonde aan dat haar implantaat goed botcontact en stabiliteit had, met enige integratie van het bot op het implantaat (Figuur 9). Ze is nu meer dan een jaar na haar operatie en loopt pijnvrij op gewone schoenen.

Patiënt 3

Een 34-jarige vrouw heeft 7 jaar chronische pijn in de rechterenkel, secundair door osteonecrose van de talus en het daaropvolgende instorten van de talarkoepel. Haar preoperatieve röntgenfoto's zijn te zien in Figuur 10. Ze toonde ook bewijs aan van osteonecrose van het tibiale plafond en het calcaneale lichaam met duidelijke osteoartrose van het tibiotalaire en subtalaire gewricht. Men dacht dat dit secundair was aan chronisch, hoogdosis steroïdengebruik tijdens langdurige ziekenhuisopnames in het verleden.

Over het algemeen was ze aanzienlijk beperkt in haar dagelijkse activiteiten door de chronische pijn in haar rechterenkel. Ze had geprobeerd conservatief te behandelen met langdurige fysiotherapie, aanpassingen in haar activiteit en pijnmedicatie voorgeschreven door haar huisarts. We bespraken haar chirurgische opties gezien haar aanhoudende symptomen. Op basis van haar beeldvorming bespraken we dat een geïsoleerde enkelfusie waarschijnlijk geen goede optie voor haar zou zijn, gezien haar talar-instorting en haar subtalaire artrose. We bespraken dat de beste chirurgische oplossing tibiotalocalcaneale (TTC) artrodisse is. De uitdaging in haar geval is echter het aanzienlijke verlies aan gewrichtshoogte door haar instorting van de talar, maar ook de grote botige leegte die zal blijven na het verwijderen van het ongezonde talarbot. Structurele transplantatie kan worden uitgevoerd met een femurkopallograft; er zijn echter hoge percentages graftsubsidentie en falen gerapporteerd in de literatuur. Bovendien is het lastig om haar hoogte te herstellen, omdat de allograft moeilijk te vormen kan zijn en mogelijk niet perfect past. Een andere optie is een 3D-geprinte custom kooi. De metalen kooi kan hoogte en anatomie behouden zonder risico op verzakking van de transplantatie en is een mechanisch sterk construct. Na uitgebreid overleg besloot ze door te gaan met een TTC-artrodisse met een 3D-geprinte, op maat gemaakte kooiconstructie. Ook hier is de kooi gemaakt van een titaniumlegering, die vergelijkbare biomechanische eigenschappen heeft als bot. Deze wordt gekozen om de natuurlijke biomechanische omgeving voor botgroei in de kooi na te bootsen. Postoperatieve beeldvorming genomen na 3 maanden is weergegeven in Figuur 11. Haar enkelgewrichtshoogte wordt hersteld met het implantaat, en er is een goede botintegratie bij de interface tussen implantaat en bot.

Ze werd 12 weken niet belastend gehouden. Daarna begon ze in een laars te lopen en stapte ze na 4 maanden over op een show. Na 6 maanden liep de patiënte pijnvrij en had ze na een jaar geen functionele tekorten meer door haar enkel. Ze wordt niet langer beperkt door haar enkel en is veel actiever dan voor de operatie.

Figuur 1: Preoperatieve röntgenfoto's van patiënt 1. (A,B) Preoperatieve mortise (A) en laterale (B) röntgenfoto's van de linker enkel voor patiënt 1. Röntgenfoto's tonen significante talar avasculaire necrose met sclerose en fragmentatie van de talus. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 2: Preoperatieve CT van patiënt 1. (A-C) Preoperatieve axiale (A), sagittale (B) en coronale (C) CT-beeldvorming van de linker enkel voor patiënt 1. CT-scanbeeldvorming toont significante talar avasculaire necrose met sclerose en fragmentatie van de talus. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. 

Figuur 3: Postoperatieve röntgenfoto's van patiënt 1. (A,B) postoperatieve AP (A) en mortise (B) röntgenfoto's van de linker enkel voor patiënt 1, genomen 6 weken na de operatie. Röntgenfoto's genomen na 6 weken tonen de juiste uitlijning en plaatsing van het talusimplantaat aan. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 4: Preoperatieve röntgenfoto's van patiënt 2. (A,B) Preoperatieve gewichtdragende AP (A) en laterale (B) röntgenfoto's van de rechtervoet van patiënt 2. Röntgenfoto's tonen een grote benige expansile laesie van de eerste middenvoetsbeentje aan. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 5: Preoperatieve CT van patiënt 2. (A-C) Preoperatieve axiale (A), sagittale (B) en coronale (C) CT-sneden van de rechtervoet van patiënt 2. De CT-scan van de patiënt toont de laesie aan. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 6: Ontwerpen van het implantaat vóór 3D-printen. Dit zijn voorbeelden van de ontwerpfase van het implantaat, waarbij ingenieurs schema's van het implantaat maken met behulp van de CT-scanbeeldvorming van de patiënt. Het implantaat wordt bevestigd aan de middenvoetsbeentje met schroeven die in het implantaat worden geplaatst. Het implantaat wordt met een kiel aan de mediale spijkerschrift bevestigd. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 7: Klinische foto's van de drie implantaatmaten. Er zijn drie maten gedrukt voor de koffer, elk met 5% variatie in volume. De reden hiervoor is om rekening te houden met eventuele intraoperatieve variatie en variatie in de CT-scan ten opzichte van de daadwerkelijke anatomie van de patiënt. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 8: Postoperatieve röntgenfoto's van patiënt 2. (A,B) Postoperatieve gewichtdragende AP (A) en laterale (B) röntgenfoto's van patiënt 2. Röntgenfoto's die drie maanden postoperatief zijn genomen, tonen hardware op de juiste plek aan met een goede uitlijning en goede botapostpositie tussen het implantaat en het oorspronkelijke bot. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 9: Postoperatieve CT van patiënt 2. (A,B) Postoperatieve CT-scan, sagittale (A) en axiale (B) beeldvorming toont stabiele hardware en goede botaappositie aan de interface van het bot met implantaat, met botvorming en integratie van het implantaat met het oorspronkelijke bot. Deze CT-scan werd 6 maanden postoperatief gemaakt. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 10: Preoperatieve röntgenfoto's van patiënt 3. (A,B) Preoperatieve AP (A) en laterale (B) röntgenfoto's van de rechterenkel van patiënt 3. De patiënt heeft een significante talar-inzakking en enkel- en subtalaire gewrichtsartritis. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 11: Postoperatieve röntgenfoto's van patiënt 3. (A,B) postoperatieve röntgenfoto's van AP (A) en laterale (B) röntgenfoto's van de rechterenkel van patiënt 3. Röntgenfoto's die tijdens de 6-maanden-follow-up van de patiënt zijn verkregen, tonen aan dat de hardware op zijn plaats is met een goede botaappositie op de fusieplaatsen. Haar enkelgewrichtshoogte is hersteld. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Discussie

Op maat gemaakte 3D-geprinte implantaten in orthopedische chirurgie zijn niet gebruikelijk; hun nut in uitdagende zaken wordt echter aangetoond in de bovenstaande gevallen. Voor deze patiënten zijn de chirurgische oplossingen zonder 3D-printen vrij beperkt, en zelfs de beste beschikbare opties brengen hoge risico- en functionele gevolgen met zich mee. Er zijn veel belangrijke stappen om te overwegen bij het ontwerpen van op maat gemaakte implantaten. Het allerbelangrijkste is of de behuizing geschikt is voor op maat gemaakte implantaten. Dit vereist een zorgvuldige afweging van alle alternatieven en hun voor- en nadelen. Het is belangrijk om de patiënt en familie bij deze gesprekken te betrekken. Op maat gemaakte 3D-implantaten zijn nieuwer met beperkte literatuur, en het is essentieel om patiënten te informeren over hun experimentele aard.

De op één na belangrijkste stap in het proces is het ontwerp van het implantaat. De chirurg moet rekening houden met verschillende factoren, waaronder de grootte van het implantaat, de chirurgische aanpak, de benodigde instrumentatie voor het plaatsen van het implantaat en de chirurgische doelen. Dit houdt in dat chirurgen worden begeleid met ervaring in 3D-printen, maar ook samenwerken met ingenieurs tijdens ontwerpopdrachten om het ontwerp van het implantaat te creëren. Zodra de productie van implantaten is begonnen, is er beperkte ruimte voor aanpassing; Daarom is de ontwerpfase cruciaal.

Ondanks het veelbelovende potentieel van 3D-printen in orthopedische chirurgie, blijven er verschillende uitdagingen bestaan. Een belangrijke beperking is de hoge kosten die met de technologie gepaard gaan. Implantaten kunnen variëren van $14.000 tot $20.000 voor onze implantaten, afhankelijk van de complexiteit van de behuizing. Naarmate de 3D-printtechnologie zich blijft ontwikkelen, wordt verwacht dat de productiekosten in de loop van de tijd zullen dalen¹. Een andere belangrijke beperking is het gebrek aan langetermijngegevens over uitkomsten. Een recent gepubliceerde retrospectieve, multicenterstudie evalueerde de veiligheid van 3D-geprinte talusvervangers voor de behandeling van avasculaire necrose⁴. In hun studie hadden ze in totaal 15 patiënten met minstens 1 jaar follow-up en concludeerden ze dat de vroege resultaten veelbelovend waren met goede resultaten. Adams et al. toonden vergelijkbare veilige resultaten aan met 3D-geprinte kooien voor grote botafwijkingen⁵. In hun studie vergeleken ze acht patiënten die een operatie met een aangepaste kooi ondergingen met zeven die een operatie ondergingen met een groot kadaver-allograftbot. Kadakia et ^al.6 evalueerden de uitkomsten van totale talusartroplastiek bij 22 patiënten over een periode van 2 jaar. Ze merkten significante functionele verbeteringen op bij kortetermijnfollow-up. Interessant genoeg zijn er enkele studies die langetermijnresultaten evalueren na totale talusartroplastiek vanuit Japanse centra. In deze twee studies hadden ze meer dan 10 jaar postoperatieve follow-up en vonden ze dat patiënten goede patiëntgerapporteerde uitkomsten hadden na een totale talusvervanging of alleen een talarlichaamsvervanging ^7,8. Het is belangrijk op te merken dat deze implantaten niet op maat waren of 3D-geprint en keramiek waren; Deze gegevens zijn dus niet overeengekomen met huidige totale talusvervangers die van metaal en op maat gemaakt zijn. Hoe dan ook, het is interessant om op te merken dat deze procedure en het concept al geruime tijd bestaan, maar dat ze steeds populairder worden bij de behandeling van ernstige talarpathologie. Hoewel de focus van dit manuscript lag op gevallen van de onderste extremiteiten, zijn de toepassingen van 3D-printen in de orthopedie zich uitgebreid naar vele subspecialismen². Onverenigde distale radiusfracturen kunnen ernstige functionele gevolgen hebben voor patiënten, en de corrigerende osteotomieën die nodig zijn om deze misvorming te corrigeren zijn zeer uitdagend vanwege de vele correctievlakken die in aanmerking moeten worden genomen. Hetzelfde geldt voor onderarmbreuken die verkeerd genezen, omdat er rotatiekrachten zijn die in aanmerking moeten worden genomen. Verschillende recent gepubliceerde studies hebben aangetoond dat op maat gemaakte 3D-geprinte snijgeleiders en instrumentatie kunnen helpen bij deze uitdagende gevallen van deformiteitscorrectie^{in de} bovenste ledematen ^9,10.

Het is belangrijk op te merken dat, ondanks de veelbelovende resultaten van op maat gemaakte 3D-geprinte implantaten en instrumentatie, de meest recent gepubliceerde studies zeer kleine steekproefgroottes hebben met kortetermijnfollow-up ^6,7,8. Weinig studies hebben de langetermijnresultaten van 3D-geprinte implantaten aangetoond, en verder onderzoek is nodig om hun duurzaamheid en effectiviteit op de lange termijn te beoordelen. Een deel hiervan is toe te schrijven aan het feit dat deze technologie relatief nieuw is en dat de pathologie die voor 3D-printen wordt aangeduid niet vaak voorkomt. Bovendien is het door de sterk aanpasbare aard van deze implantaten erg uitdagend om resultaten te generaliseren over verschillende gevallen.

Hoe dan ook, de potentiële voordelen van 3D-printen zijn duidelijk uit bovenstaande voorbeelden en beschikbare literatuur. Een van de meest overtuigende voordelen is het vermogen om menselijke anatomie op unieke manieren te repliceren die voorheen onmogelijk waren. Maatwerk maakt het mogelijk implantaten precies op maat te maken voor individuele patiënten, waardoor ze direct aansluiten bij de chirurgische behoefte. Met de voortdurende vooruitgang in CT-beeldvorming en 3D-printtechnologieën worden implantaten steeds nauwkeuriger, duurzamer en kosteneffectiever ^1,2.

Al met al blijft 3D-printen een snel ontwikkelende technologie, die een groeiend scala aan mogelijkheden biedt in orthopedische chirurgie. Naarmate de technologie zich ontwikkelt, kunnen toekomstige toepassingen de ontwikkeling van meer ingewikkelde, onderling verbonden structuren omvatten. Naarmate we meer vaardigheid krijgen met enkelvoudige bot- en gewrichtsimplantaten, is de volgende logische stap het verkennen van de creatie van complexere, multicomponent-implantaten. Hoewel huidige implantaten voornamelijk biocompatibele metaallegeringen gebruiken, zou een andere belangrijke stap in 3D-printen toekomstige innovaties in zachte weefselreconstructie bevatten, zoals bioprinten om kraakbeen¹¹ te creëren. 3D-printen is een spannend technologiegebied dat zich voortdurend ontwikkelt, en de toepassing ervan in orthopedische chirurgie zal blijven groeien en zich aanpassen naarmate deze technologie verandert.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
Metatarsaal titanium kooi-implantaat	Restor3D	https://www.restor3d.com/	Aangepast implantaat; Titaniumlegering (Ti-6Al-4V)
Sferisch titanium kooi-implantaat	Restor3D	https://www.restor3d.com/	Aangepast implantaat; Titaniumlegering (Ti-6Al-4V)
Totale Talus Vervanging	Restor3D	https://www.restor3d.com/	Aangepast implantaat; Titaniumlegering (Ti-6Al-4V)