Impresión 3D en Cirugía Ortopédica y Traumatología. Revisión sistemática de su aplicabilidad y estudio de los métodos de esterilización más adecuados para la utilización en quirófanos de las impresiones realizadas en el hospital.

Abstract

Introduction In-Hospital 3D printing has been broadly developed since the end of the addictive manufacturing patents. However, although there are many printing technologies, the most frequent in our field are Fused Deposition Modelling (FDM) and Stereolithography (SLA), which usually use hollow infill patterns in order to save time and material. It is common to use these models and surgical guides in the operating room, however, there were no publications warranting an adequate sterilization of the in-house prints.

Objectives To describe systematically all the current applications of in-hospital 3D printing up to date and to run an experimental study which demonstrates the sterilization of the inside of our anatomical models and surgical guides.

Material and Methods A systematic review was made on PubMed to obtain all the published articles regarding this topic up to December 2021. Those publications in other language (not in English or Spanish) or describing industrial applications, cell therapies, pharma therapies or involving human specimens were rejected. A record card was made for each application to make further search easier. For the experimental study, a total of 24 cylinders were designed and printed with a 3D printer in Polylactic Acid (PLA) with an infill density of 12%. Manufacturing was paused when 60% of the print was reached and 20 of the cylinders were inoculated with 0.4 mL of a suspension of S epidermidis ATTCC 1228 in saline solution at turbidity 1 McFarland. Printing was resumed, being all the pieces completely sealed with the inoculum inside. Posteriorly, 4 groups were made according to the chosen sterilization method: Ethylene Oxide (EtO), Gas Plasma, Steam Heat or non-sterilized (positive control). Each group included 5 contaminated cylinders and 1 non-contaminated cylinder as a negative control. After sterilization, the inside of the cylinders was cultured during 7 days.

Results We obtained a total of 1193 articles in the research, of which 298 articles met the inclusion criteria, finding a total of 143 applications which are summarized as record cards. In the sterility study, we observed bacterial growth of just a few Forming Colony Units (FCU) in 4 out of 5 positive controls and in 2 out of 5 contaminated cylinders sterilized with Gas Plasma. We could not assess any bacterial growth in any of the EtO or Steam Heat samples or in any of the negative controls. Pieces sterilized under Steam Heat resulted completely deformed.

Conclusions There are multiple applications for in-house 3D printing in the field of orthopaedics. High temperatures reached during the procedure of additive manufacturing can decrease the bacterial load of the biomodels. However, there is a potential risk of contamination during the proce- dure. We recommend sterilization with EtO for in-hospital 3D-printed PLA hollow biomodels or guides. Otherwise, in case of using Gas Plasma, an infill of 100% should be applied.

Introducción La impresión 3D hospitalaria ha cobrado un gran impulso desde la liberalización de las patentes sobre la fabricación aditiva. Aunque existen multitud de tecnologías de impresión, las más frecuentes en nuestro medio son la impresión por deposición de material fundido (FDM) y la impresión estereolitográfica (SLA), las cuales, suelen recurrir a patrones de relleno incompletos para ahorrar tiempo y material. Aunque es frecuente la utilización de biomodelos y guías quirúrgicas obtenidas por este medio en los quirófanos, no existían hasta la fecha estudios que garantizasen una adecuada esterilidad de los mismos.

Objetivos Realizar una descripción sistematizada de todas las aplicaciones descritas de la impresión 3D hospitalaria hasta la fecha y hacer un estudio experimental que demuestre la capacidad esterilizante del interior de nuestros biomodelos y guías quirúrgicas.

Material y Métodos Se realiza una revisión sistemática en PubMed para obtener todos los artículos publicados sobre el tema hasta diciembre de 2021, descartándose aquellos en otro idioma o que tratan sobre aplicaciones industriales, celulares, farmacológicas o experimentales en cadáver. Se realiza una ficha de cada una de las aplicaciones para facilitar su posterior consulta. Por otro lado, realizamos un estudio experimental con 24 cilindros impresos en ácido poliláctico con una densidad de relleno del 12%. La fabricación se detuvo cuando se alcanzó el 60% de la impresión y 20 de los cilindros se inocularon con 0.4mL de una suspensión de S epidermidis ATTCC 1228 en solución salina con una turbidez de 1 McFarland. Tras la inoculación, se continuó la impresión quedando las piezas completamente selladas con el inóculo en su interior. Posteriormente, se crearon 4 grupos de acuerdo con el método de esterilización empleado (Óxido de etileno, Gas plasma, Autoclave y grupo control positivo, sin esterilizar). Cada grupo incluyó 5 cilindros contaminados y 1 no contaminado como control negativo. Tras la esterilización, el interior de los cilindros se cultivó durante 7 días.

Resultados Se han obtenido un total de 1193 artículos en la búsqueda de los cuales 298 artículos cumplieron los criterios de inclusión, obteniéndose un total de 143 aplicaciones que se exponen a modo de fichas. En el estudio de esterilidad se observe crecimiento bacteriano de unas pocas unidades formadoras de colonias en 4 de los 5 controles positivos y en 2 de los 5 cilindros contaminados y esterilizados con Gas plasma. No se observó crecimiento en ninguno de los cilindros esteriliados con Óxido de etileno o Autoclave, ni tampoco en ninguno de los controles negativos. Sin embargo, aquellas muestras esterilizadas en Autoclave se encontraron completamente deformadas.

Conclusiones Existen infinidad de aplicaciones de la impresión 3D hospitalaria en el campo de la cirugía ortopédica y traumatología. Las altas temperaturas alcanzadas durante el proceso de fabricación aditiva pueden disminuir la carga bacteriana de los biomodelos. Sin embargo, existe un riesgo potencial de contaminación durante el procedimiento, por lo que recomendamos la esterilización con Óxido de etileno para las impresiones intrahospitalarias de biomodelos y guías huecas realizadas con ácido poliláctico. En caso de utilizar Gas plasma, recomendamos un relleno del 100% o la utilización de otros materiales más resistentes a las altas temperaturas del Autoclave.