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Les chercheurs de cinq instituts de recherche Fraunhofer ont combiné l’impression 3D avec l’IA pour développer un moyen unique de produire des implants d’articulation des doigts spécifiques au patient.

Dans le cadre du projet « FingerKIt », l’équipe a mis au point un processus de conception d’implant automatisé, dans lequel l’IA est déployée pour transformer des images radiographiques 2D en modèles de doigt 3D. Ce nouveau flux de travail est censé non seulement permettre la correction de tout problème de positionnement des doigts, mais aussi faciliter la création d’implants lisses et sans frottement, avec des besoins de post-traitement réduits qui peuvent être projetés avec précision.

« La structure de la tige de l’implant étant très délicate, nous avons choisi d’utiliser la méthode d’impression 3D par jet de liant métallique pour le titane », explique le Dr Philipp Imgrund, responsable du département AM Process Qualification chez Fraunhofer IAPT. « Cette méthode permet une production extrêmement précise des petits implants complexes et nous permet également de structurer la surface de la tige de manière à ce qu’elle se développe plus efficacement dans l’os. »

Implants imprimés en 3D développés dans le cadre du projet FingerKIt. Photo via Fraunhofer-Gesellschaft.

R&D sur l’impression 3D d’implants basée sur l’IA

Selon l’équipe Fraunhofer, les blessures aux doigts ou les maladies comme la polyarthrite rhumatoïde peuvent « limiter sérieusement la vie de quelqu’un et lui causer des tensions physiques et mentales ». C’est particulièrement le cas pour les personnes dont le travail implique des mouvements complexes de la main comme les musiciens ou les chirurgiens, qui pourraient mettre fin à leur carrière.

À l’heure actuelle, de nombreux traitements voient les articulations des patients fusionnées, ce qui peut imposer de graves restrictions à leur vie quotidienne. Lorsque des implants sont utilisés, ils ont tendance à être basiques et ne permettent pas une gamme complète de mouvements, ou à être fabriqués à partir de silicone, ce qui signifie qu’ils peuvent se détacher rapidement et doivent être remis en place lors d’une autre procédure.

Pour y faire face, le Fraunhofer Research Institute for Additive Manufacturing Technologies IAPT, le Fraunhofer Institute for Ceramic Technologies and Systems IKTS, le Fraunhofer Institute for Toxicology and Experimental Medicine ITEM, le Fraunhofer Institute for Mechanics of Materials IWM et le Fraunhofer Institute for Digital Medicine MEVIS ont cherché à développer un nouvel implant spécifique au patient.

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On pense que les implants imprimés en 3D de l'équipe pourraient être utilisés pour traiter les patients atteints de polyarthrite rhumatoïde.  Image via Fraunhofer-Gesellschaft.
On pense que les implants imprimés en 3D de l’équipe pourraient être utilisés pour traiter les patients atteints de polyarthrite rhumatoïde. Image via Fraunhofer-Gesellschaft.

Afin de proposer une solution parfaitement adaptée qui ne glisse pas et redonne aux articulations des patients leur niveau de mobilité antérieur, les cinq instituts ont développé une nouvelle chaîne de processus automatisée. Au centre de ce flux de travail se trouve une IA perfectionnée par Fraunhofer MEVIS, qui est capable de dériver une conception d’implant individuelle à partir d’un modèle de doigt 3D et de l’envoyer automatiquement pour l’impression 3D.

Une fois imprimés en 3D par jet de liant (ou coulés en barbotine lorsqu’ils sont fabriqués à partir de céramique) chez Fraunhofer IKTS, ces implants sont frittés, ce qui leur donne une forme presque nette et des exigences de finition minimales. Alors que Fraunhofer ITEM s’occupe des questions sur la biocompatibilité et la certification des implants résultants, ils pourraient bientôt être utilisés pour traiter les doigts mal pliés, les parties osseuses manquantes ou les très petites articulations de la main.

Les calculs des chercheurs montrent qu’il est peut-être possible de réduire jusqu’à 60 % le temps nécessaire pour passer de la production de l’implant à la pose, et de terminer le processus en quelques jours. Par rapport aux implants de pieds ou de chevilles, l’équipe estime également que le marché de la remobilisation des articulations est encore « significativement sous-développé » et cite des « prédictions d’experts » selon lesquelles il pourrait atteindre 5,8 millions d’euros d’ici 2026.

Compte tenu de ce potentiel inexploité et des développements récents de leur étude, les scientifiques cherchent maintenant à travailler avec un partenaire commercial pour mettre sur le marché leur flux de travail d’impression d’implants, et ils recherchent une certification de dispositif pour faciliter le processus.

Impression 3D dans la réparation des articulations des doigts

Les articulations implantables imprimées en 3D pourraient avoir un important potentiel de marché inexploité, mais les chercheurs de Fraunhofer ne sont pas les seuls à chercher à en tirer parti. À la fin de l’année dernière, BICO et Nanochon ont dévoilé des plans pour développer des implants articulaires régénératifs imprimés en 3D qui pourraient permettre aux patients de récupérer plus rapidement tout en réduisant les coûts pour les prestataires de soins de santé.

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Dans le passé, REJOINT a également trouvé un moyen d’utiliser l’IA pour imprimer en 3D des implants personnalisés. Lorsque le projet a été dévoilé il y a deux ans, la société s’est engagée à utiliser la technologie de fusion par faisceau d’électrons de GE Additive Arcam et l’analyse informatisée des données peropératoires et postopératoires collectées via des appareils portables pour développer des arthroplasties du genou.

Ailleurs, pour les personnes souffrant de graves blessures à la main, des scientifiques de l’Université de Bristol ont développé un bout de doigt artificiel imprimé en 3D avec le potentiel de permettre aux amputés de « sentir » des objets via des prothèses. Avec plus de R&D, l’équipe derrière la pointe dit qu’elle pourrait révolutionner le monde de la robotique ou aider à améliorer la prise en main de ceux qui ont des mains prothétiques.

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L’image en vedette montre une radiographie d’un patient atteint de polyarthrite rhumatoïde. Image via Fraunhofer-Gesellschaft.