Fabricação de implantes médicos via digitalização tridimencional a laser e usinagem CNC

Para o tratamento de deformidades craniofaciais, modelos físicos podem ser utilizados como auxiliares na fabricação de implantes para preencher lacunas ósseas, oriundas de defeitos congênitos ou acidentes. A partir de imagens de tomografia computadorizada, réplicas do crânio do paciente podem ser produzidas, através de processos de prototipagem rápida, e utilizadas como base para a fabricação de implantes. Nesse sentido, este estudo apresenta uma metodologia de utilização de protótipos do crânio do paciente para a geração de modelos da região a ser reconstruída e posterior fabricação de implantes médicos personalizados. O protótipo do implante é modelado manualmente utilizando uma réplica do crânio do paciente. Em seguida, é realizada a digitalização tridimensional do modelo e o modelo virtual obtido é fabricado por usinagem CNC no material adequado para implantação. Para isso, através do estudo de caso apresentado, são aplicadas técnicas inovadoras para obtenção de imagens 3D, utilizando o processo de digitalização 3D a laser.Palavras-chave: Biomateriais. Implantes Médicos. Usinagem CNC. Prototipagem Rápida.ABSTRACTTo the treatment of craniofacial deformities, physical models may be used in order to produce implants to fill bone gaps from congenital defects or accidents. Using computer tomography images, models of the patient cranial structure can be produced through rapid prototyping and used as templates to the production of implants. In this way, this work aims to present a methodology of using cranial prototypes to generate models of the region to be reconstructed and the manufacture of customized implants. The prototype of the implant is handily molded and digitized. The obtained virtual model is is manufactured through CNC milling in the material suited for implantation. The preset case study applies innovative techniques to capture three-dimensional images using 3D laser scanning.Keywords: Biomaterials. Medical Implants. CNC Milling. Rapid Prototyping

Development of materials based on calcium phosphate cements for their use in Biomanufacturing

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Biossensor amperométrico de peróxido baseado na imobilização da enzima Peroxidase em polipirrol

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Customized Facial Implants

The increase in life expectancy and a great number of accidents lead to higher demand for medical products, including corrective implants. Patients with tumors or traumas need to replace injured areas in order to restore their aesthetic and structural function. Currently, the available craniofacial implants present a standard geometry and seldom generate satisfactory results. Customized implants, on the other hand, are designed to conform exactly to individual patient’s anatomy. This way, the use of customized implants can show beneficial effects to the patient and the surgical team. In this study, the design and manufacturing of customized implant prior to surgery were described. Implant shape and functional requirements were established by digital data based on CT-scans and mirroring operations. The design process of customized mandible prosthesis is illustrated as well as its manufacturing process (direct metal laser sintering) and quality control. Laser sintering process and its constraints for the production of customized implants in titanium alloy (Ti-6Al-4V) with complex geometry and internal structures are reported

Designed in Brazil

BackgroundHealth design in Brazil has been characterized historically by replacing imported products with others that are locally manufactured on a small scale. In January 2007, the Health Design Group was created at the National Council for Scientific and Technological Development, a partnership between professors and scholars from the University of Sao Paulo. Aiming at documenting some important experiences on the Brazilian scene to provide historical and methodological subsidies for research, a survey was conducted to find the pioneer experiences that, using the technology available at the time they were developed, paved the way for the current research.  Method  Interviews and surveys in newspapers and journals were conducted with selection of some Brazilian experiences in design for health from the end of the 1950s till the early 2000s, along with its researchers.ResultsSeveral examples of design for health and historical documentation in Brazil are shown concerning the Brazilian Foundation for the Development of Science Teaching (FUNBEC),  the Department of Bioengineering of the Heart Institute (InCor) of the University of Sao Paulo (USP) Medical School, the medical equipment at Rede Sarah, the Laboratory of Design and Materials Selection (LdSM) of the Federal University of Rio Grande do Sul (UFRGS) in the field of craniofacial Orthopedics and some experiences of design are shown in the field of Ophthalmology.ConclusionWe emphasize the cross-disciplinary integration of subjects such as medicine, bioengineering and design in all the previously cited experiences. Based on these experiences and looking forward to implementing new research methods, some members of the Health Design Group are involved in the development of solutions for low vision people: first a high-power-high-optical-quality magnifying glass and secondly an innovative reading stand associated with a magnifying glass that has already been successfully tested in accordance with ethical standards by low vision patients. This experience in design of medical equipment has occurred in an interdisciplinary work with the implementation of bioethics in research

Potentialities of the use of incremental forming in Computer Aided Design and manufacture of customized craniofacial implants

Atualmente, cirurgias de reconstrução craniofacial ainda são um desafio à equipe cirúrgica devido às dificuldades em definir e reparar o defeito ósseo. A definição da geometria do implante é o primeiro desafio, uma vez que cada paciente possui uma anatomia individual e, em caso de defeitos ósseos devido a traumas ou tumores, cada defeito possui uma forma específica. O implante deve, então, possuir geometria tal que o possibilite substituir a estrutura original e ser constituído de material apto para a implantação. Além disso, o processo de fabricação selecionado deve ser flexível a fim de possibilitar a produção de uma peça única, dispensando custos excessivos com ferramental. No cenário atual de processos de manufatura flexível, um destaque especial recebe o processo de estampagem incremental, que permite a conformação de chapas metálicas para a fabricação de pequenos lotes. Neste sentido, este estudo ocorre no âmbito da fabricação pré‐operatória de implantes personalizados para reparo de defeitos em diferentes regiões do complexo craniofacial através do processo de estampagem incremental. Foram utilizados diferentes procedimentos para modelagem dos implantes a partir de dados tomográficos e foram desenvolvidos parâmetros para a conformação de diferentes geometrias em titânio. São apresentadas, ainda, técnicas alternativas capazes de produzir tais implantes. O estudo mostra que, embora possua precisão dimensional limitada e restrições com relação à complexidade geométrica dos implantes que podem ser conformados, o processo de estampagem incremental apresenta‐se como uma alternativa viável à fabricação pré‐operatória de implantes personalizados para a reconstrução de defeitos craniofaciais.Currently, craniofacial reconstruction surgeries are still a challenge for surgical teams due to the difficulty to define and repair bone defects. Defining the geometry of the implant is the first challenge, since each patient has an individual anatomy and, in case of bone defects due to trauma or tumors, each defect has a specific shape. The implant should then have a geometry that permits the replacement of the original structure and should consist of a material suitable for implantation. Moreover, the selected manufacturing process must be flexible enough to enable the production of a single piece, not requiring excessive cost with dyes and tooling. In the current scenario of flexible manufacturing processes, the process of incremental forming, which permits forming metal sheets to manufacture small batches, receives special emphasis. Thus, this study evaluates the feasibility of preoperative manufacturing of customized implants to repair defects in different regions of the craniofacial complex through the process of incremental forming. Different procedures were used for modeling implants obtained from CT data of patients and the parameters for forming different geometries of titanium implants were developed. Alternative techniques capable of producing such implants are also presented. The study shows that, although it has limited dimensional accuracy and restrictions regarding the geometric complexity of the implants that can be shaped, the single point incremental forming (SPIF) process represents a suitable alternative for the preoperative manufacturing of customized implants for the reconstruction of craniofacial defects.Operationen im Schädel‐ und Gesichtsbereich stellen nach wie vor eine große Herausforderung für die behandelnden Ärzte dar, weil sich oftmals die Abgrenzung des Knochendefekts und die Wiederherstellung der ursprünglichen Knochenstruktur als schwierig erweisen. Die erste Herausforderung dabei ist die Definition der Implantatgeometrie, da jeder Patient eine individuelle Anatomie und, im Falle eines Knochendefekts durch Traumata oder Tumore, jeder Defekt eine spezifische Form aufweist. Das Implantat sollte somit eine der originalen Knochenstruktur entsprechenden Geometrie besitzen und aus einem für die Implantation geeigneten Material bestehen. Weiterhin muss das für die Herstellung des Implantats gewählte Verfahren derart anpassungsfähig sein, dass auch die Erzeugung eines einzelnen individuellen Produktes möglich ist und keine übermäßigen Kosten im Werkzeug‐ und Formenbau verursacht werden. Im gegenwärtigen Szenario flexibler Herstellungsprozesse, die eine effiziente Blechumformung auch in kleineren Stückzahlen erlauben, liegt ein besonderer Schwerpunkt auf dem Verfahren der inkrementellen Umformung. In dieser Arbeit wird daher die Durchführbarkeit der präoperativen Herstellung individueller Implantate zur Wiederherstellung knöcherner Strukturen verschiedener Regionen im Schädel‐ und Gesichtsbereich mit dem Verfahren der inkrementellen Blechumformung untersucht. Dabei wurden unterschiedliche Methoden zur Modellierung von Implantaten aus patientenspezifischen CT‐Daten angewendet und Prozessparameter für die Herstellung verschiedener Formen von Titanimplantaten entwickelt. Ferner werden alternative Techniken vorgestellt, mit denen es ebenfalls möglich ist, solche Implantate herzustellen. Gleichwohl es Einschränkungen hinsichtlich der Formgenauigkeit und Komplexität der zu formenden Geometrie des Implantates gibt, zeigt diese Arbeit, dass das Verfahren der inkrementellen Blechumformung eine geeignete Alternative für die präoperative Herstellung von individuellen Implantaten für den Schädel‐ und Gesichtsbereich darstellt

Contribuição ao estudo da prototipagem rápida, digitalização tridimensional e seleção de materiais no design de implantes personalizados

O crescente aumento na expectativa de vida da população vem exigindo melhorias e atualizações a diversas áreas da ciência. Em decorrência disso, verifica-se que as fronteiras entre as diferentes áreas do conhecimento estão cada vez mais tênues, permitindo a sinergia entre as áreas e ações cooperativas, proporcionando melhorias significativas na resposta dada à sociedade em geral. Tal fenômeno ocorre na área relacionada a implantes ortopédicos, onde equipes de médicos, programadores, designers e engenheiros vêm desenvolvendo conjuntamente técnicas auxiliares de planejamento e execução cirúrgica, seleção de materiais adequados para utilização como implantes, softwares de visualização gráfica médica, design e fabricação de implantes personalizados, bem como a otimização dos mesmos. Tais medidas, realizadas por grupos interdisciplinares, representam grande avanço para a ciência e para a qualidade de vida da população. Neste sentido, o objetivo geral do presente trabalho foi o estudo das metodologias atualmente utilizadas para a obtenção de implantes personalizados para a reconstrução de defeitos craniofaciais. Buscou-se utilizar ferramentas da engenharia, design e computação gráfica para fornecer soluções para tais situações da área médica. Foram utilizadas técnicas de prototipagem rápida, sistema CAD/CAE/CAM, seleção de materiais, digitalização tridimensional a laser e softwares de visualização tridimensional de imagens médicas para o design e fabricação de implantes adaptáveis às necessidades individuais de cada paciente. Este trabalho estudou como os sistemas CAD/CAE/CAM e especialmente a prototipagem rápida, técnicas tradicionalmente utilizadas para aplicações industriais, podem contribuir para o aprimoramento de implantes ortopédicos. Foram estudados casos de diferentes pacientes com necessidade de reconstrução óssea facial decorrente de fraturas ou tumores. Seguindo o método tradicional de fabricação de implantes personalizados, modelos do crânio dos pacientes foram produzidos por prototipagem rápida e permitiram que os implantes fossem manualmente moldados para se adaptarem à estrutura anatômica do paciente em questão. Verificou-se a possibilidade de fabricação de implantes com alta complexidade geométrica, ocasionando melhora no posicionamento dos mesmos quando implantados, bem como redução no tempo de cirurgia. O método virtual de fabricação de implantes personalizados, estado da arte na área, foi utilizado para o design e fabricação de uma prótese de mandíbula. Tal método dispensou a utilização de modelos físicos do crânio do paciente, permitindo que a prótese fosse projetada em ambiente virtual e diretamente produzida no material adequado para ser implantado. As técnicas estudadas para a fabricação de implantes foram usinagem CNC seguida de moldagem, e sinterização seletiva a laser da liga Ti- 6Al-4V. Ambas as técnicas obtiveram resultados positivos, sendo que a usinagem CNC possui a vantagem de ser uma técnica largamente difundida no mercado. Os modelos produzidos por sinterização seletiva a laser apresentaram propriedades físicas adequadas para a aplicação (como densidade de 97%, por exemplo), além de possuírem vantagens intrínsecas à técnica, como a possibilidade de fabricação de modelos de grande complexidade geométrica, baixo peso (por possuírem vazios em seu interior), além de permitirem a fabricação de modelos otimizados, simulados previamente em ambiente virtual.The increase in life expectancy of the general population is constantly demanding improvements and updates in different fields of the science. In this way, it is possible to observe that the borders among the different areas of the knowledge are very thin, leading to synergy between the areas and cooperative actions, resulting in improvements and better solutions for the problems of general society. This phenomenon occurs in the area related to orthopedic implants, where medical teams, programmers, designers and engineers develop together techniques to help on surgical planning and execution, selection of materials suitable for implantations, softwares for medical images, design and manufacturing of customized implants, as well as their optimization. These actions represent great improvements to science and to the life quality of the society. The objective of this work is to use engineering, design and computer graphic tools to give solutions for challenges in the medical field. Techniques such as rapid prototyping, CAD/CAE/CAM systems, material`s selection, three-dimensional laser scanning and medical softwares are used in order to design and manufacture customized orthopedic implants, suitable with the individual needs of each patient. This work investigated how CAD/CAE/CAM systems and rapid prototyping, techniques traditionally used for industrial applications, can help to improve orthopedic implants. Different cases of patients that needed facial reconstruction due to fractures or tumors were studied. According to the traditional method for production of customized implants, models of the patient skulls were manufactured through rapid prototyping, allowing to mould the implant directly on the physical model, so the implant could fit exactly in the patient`s anatomic structure. The feasibility of the manufacture of implants with high geometry complexity was also proved, leading to best fit of the implants in the patient during the surgery, as well as reduction of the surgery time. The virtual method for the production of customized implants, state of the art in the area, was used for the design and manufacturing of mandible prostheses. This method has no need of a physical model of the skull, making the design completely feasible in virtual environment and the model could be produced directly in the suitable material. The manufacturing technologies investigated were CNC milling and direct laser sintering of Ti-6Al-4V alloy. Both techniques presented positive results, and CNC milling has the advantage to be a very widespread technology. The models produced through direct laser sintering presented suitable physical properties (such as 97% density) and have some advantages intrinsic to the method, such as the feasibility of geometric complex models, light weight (because of the holes and pores inside), as well as the production of optimized structures, previously simulated in virtual environment

Contribuição ao estudo da prototipagem rápida, digitalização tridimensional e seleção de materiais no design de implantes personalizados

O crescente aumento na expectativa de vida da população vem exigindo melhorias e atualizações a diversas áreas da ciência. Em decorrência disso, verifica-se que as fronteiras entre as diferentes áreas do conhecimento estão cada vez mais tênues, permitindo a sinergia entre as áreas e ações cooperativas, proporcionando melhorias significativas na resposta dada à sociedade em geral. Tal fenômeno ocorre na área relacionada a implantes ortopédicos, onde equipes de médicos, programadores, designers e engenheiros vêm desenvolvendo conjuntamente técnicas auxiliares de planejamento e execução cirúrgica, seleção de materiais adequados para utilização como implantes, softwares de visualização gráfica médica, design e fabricação de implantes personalizados, bem como a otimização dos mesmos. Tais medidas, realizadas por grupos interdisciplinares, representam grande avanço para a ciência e para a qualidade de vida da população. Neste sentido, o objetivo geral do presente trabalho foi o estudo das metodologias atualmente utilizadas para a obtenção de implantes personalizados para a reconstrução de defeitos craniofaciais. Buscou-se utilizar ferramentas da engenharia, design e computação gráfica para fornecer soluções para tais situações da área médica. Foram utilizadas técnicas de prototipagem rápida, sistema CAD/CAE/CAM, seleção de materiais, digitalização tridimensional a laser e softwares de visualização tridimensional de imagens médicas para o design e fabricação de implantes adaptáveis às necessidades individuais de cada paciente. Este trabalho estudou como os sistemas CAD/CAE/CAM e especialmente a prototipagem rápida, técnicas tradicionalmente utilizadas para aplicações industriais, podem contribuir para o aprimoramento de implantes ortopédicos. Foram estudados casos de diferentes pacientes com necessidade de reconstrução óssea facial decorrente de fraturas ou tumores. Seguindo o método tradicional de fabricação de implantes personalizados, modelos do crânio dos pacientes foram produzidos por prototipagem rápida e permitiram que os implantes fossem manualmente moldados para se adaptarem à estrutura anatômica do paciente em questão. Verificou-se a possibilidade de fabricação de implantes com alta complexidade geométrica, ocasionando melhora no posicionamento dos mesmos quando implantados, bem como redução no tempo de cirurgia. O método virtual de fabricação de implantes personalizados, estado da arte na área, foi utilizado para o design e fabricação de uma prótese de mandíbula. Tal método dispensou a utilização de modelos físicos do crânio do paciente, permitindo que a prótese fosse projetada em ambiente virtual e diretamente produzida no material adequado para ser implantado. As técnicas estudadas para a fabricação de implantes foram usinagem CNC seguida de moldagem, e sinterização seletiva a laser da liga Ti- 6Al-4V. Ambas as técnicas obtiveram resultados positivos, sendo que a usinagem CNC possui a vantagem de ser uma técnica largamente difundida no mercado. Os modelos produzidos por sinterização seletiva a laser apresentaram propriedades físicas adequadas para a aplicação (como densidade de 97%, por exemplo), além de possuírem vantagens intrínsecas à técnica, como a possibilidade de fabricação de modelos de grande complexidade geométrica, baixo peso (por possuírem vazios em seu interior), além de permitirem a fabricação de modelos otimizados, simulados previamente em ambiente virtual.The increase in life expectancy of the general population is constantly demanding improvements and updates in different fields of the science. In this way, it is possible to observe that the borders among the different areas of the knowledge are very thin, leading to synergy between the areas and cooperative actions, resulting in improvements and better solutions for the problems of general society. This phenomenon occurs in the area related to orthopedic implants, where medical teams, programmers, designers and engineers develop together techniques to help on surgical planning and execution, selection of materials suitable for implantations, softwares for medical images, design and manufacturing of customized implants, as well as their optimization. These actions represent great improvements to science and to the life quality of the society. The objective of this work is to use engineering, design and computer graphic tools to give solutions for challenges in the medical field. Techniques such as rapid prototyping, CAD/CAE/CAM systems, material`s selection, three-dimensional laser scanning and medical softwares are used in order to design and manufacture customized orthopedic implants, suitable with the individual needs of each patient. This work investigated how CAD/CAE/CAM systems and rapid prototyping, techniques traditionally used for industrial applications, can help to improve orthopedic implants. Different cases of patients that needed facial reconstruction due to fractures or tumors were studied. According to the traditional method for production of customized implants, models of the patient skulls were manufactured through rapid prototyping, allowing to mould the implant directly on the physical model, so the implant could fit exactly in the patient`s anatomic structure. The feasibility of the manufacture of implants with high geometry complexity was also proved, leading to best fit of the implants in the patient during the surgery, as well as reduction of the surgery time. The virtual method for the production of customized implants, state of the art in the area, was used for the design and manufacturing of mandible prostheses. This method has no need of a physical model of the skull, making the design completely feasible in virtual environment and the model could be produced directly in the suitable material. The manufacturing technologies investigated were CNC milling and direct laser sintering of Ti-6Al-4V alloy. Both techniques presented positive results, and CNC milling has the advantage to be a very widespread technology. The models produced through direct laser sintering presented suitable physical properties (such as 97% density) and have some advantages intrinsic to the method, such as the feasibility of geometric complex models, light weight (because of the holes and pores inside), as well as the production of optimized structures, previously simulated in virtual environment

Potentialities of the use of incremental forming in Computer Aided Design and manufacture of customized craniofacial implants

Atualmente, cirurgias de reconstrução craniofacial ainda são um desafio à equipe cirúrgica devido às dificuldades em definir e reparar o defeito ósseo. A definição da geometria do implante é o primeiro desafio, uma vez que cada paciente possui uma anatomia individual e, em caso de defeitos ósseos devido a traumas ou tumores, cada defeito possui uma forma específica. O implante deve, então, possuir geometria tal que o possibilite substituir a estrutura original e ser constituído de material apto para a implantação. Além disso, o processo de fabricação selecionado deve ser flexível a fim de possibilitar a produção de uma peça única, dispensando custos excessivos com ferramental. No cenário atual de processos de manufatura flexível, um destaque especial recebe o processo de estampagem incremental, que permite a conformação de chapas metálicas para a fabricação de pequenos lotes. Neste sentido, este estudo ocorre no âmbito da fabricação pré‐operatória de implantes personalizados para reparo de defeitos em diferentes regiões do complexo craniofacial através do processo de estampagem incremental. Foram utilizados diferentes procedimentos para modelagem dos implantes a partir de dados tomográficos e foram desenvolvidos parâmetros para a conformação de diferentes geometrias em titânio. São apresentadas, ainda, técnicas alternativas capazes de produzir tais implantes. O estudo mostra que, embora possua precisão dimensional limitada e restrições com relação à complexidade geométrica dos implantes que podem ser conformados, o processo de estampagem incremental apresenta‐se como uma alternativa viável à fabricação pré‐operatória de implantes personalizados para a reconstrução de defeitos craniofaciais.Currently, craniofacial reconstruction surgeries are still a challenge for surgical teams due to the difficulty to define and repair bone defects. Defining the geometry of the implant is the first challenge, since each patient has an individual anatomy and, in case of bone defects due to trauma or tumors, each defect has a specific shape. The implant should then have a geometry that permits the replacement of the original structure and should consist of a material suitable for implantation. Moreover, the selected manufacturing process must be flexible enough to enable the production of a single piece, not requiring excessive cost with dyes and tooling. In the current scenario of flexible manufacturing processes, the process of incremental forming, which permits forming metal sheets to manufacture small batches, receives special emphasis. Thus, this study evaluates the feasibility of preoperative manufacturing of customized implants to repair defects in different regions of the craniofacial complex through the process of incremental forming. Different procedures were used for modeling implants obtained from CT data of patients and the parameters for forming different geometries of titanium implants were developed. Alternative techniques capable of producing such implants are also presented. The study shows that, although it has limited dimensional accuracy and restrictions regarding the geometric complexity of the implants that can be shaped, the single point incremental forming (SPIF) process represents a suitable alternative for the preoperative manufacturing of customized implants for the reconstruction of craniofacial defects.Operationen im Schädel‐ und Gesichtsbereich stellen nach wie vor eine große Herausforderung für die behandelnden Ärzte dar, weil sich oftmals die Abgrenzung des Knochendefekts und die Wiederherstellung der ursprünglichen Knochenstruktur als schwierig erweisen. Die erste Herausforderung dabei ist die Definition der Implantatgeometrie, da jeder Patient eine individuelle Anatomie und, im Falle eines Knochendefekts durch Traumata oder Tumore, jeder Defekt eine spezifische Form aufweist. Das Implantat sollte somit eine der originalen Knochenstruktur entsprechenden Geometrie besitzen und aus einem für die Implantation geeigneten Material bestehen. Weiterhin muss das für die Herstellung des Implantats gewählte Verfahren derart anpassungsfähig sein, dass auch die Erzeugung eines einzelnen individuellen Produktes möglich ist und keine übermäßigen Kosten im Werkzeug‐ und Formenbau verursacht werden. Im gegenwärtigen Szenario flexibler Herstellungsprozesse, die eine effiziente Blechumformung auch in kleineren Stückzahlen erlauben, liegt ein besonderer Schwerpunkt auf dem Verfahren der inkrementellen Umformung. In dieser Arbeit wird daher die Durchführbarkeit der präoperativen Herstellung individueller Implantate zur Wiederherstellung knöcherner Strukturen verschiedener Regionen im Schädel‐ und Gesichtsbereich mit dem Verfahren der inkrementellen Blechumformung untersucht. Dabei wurden unterschiedliche Methoden zur Modellierung von Implantaten aus patientenspezifischen CT‐Daten angewendet und Prozessparameter für die Herstellung verschiedener Formen von Titanimplantaten entwickelt. Ferner werden alternative Techniken vorgestellt, mit denen es ebenfalls möglich ist, solche Implantate herzustellen. Gleichwohl es Einschränkungen hinsichtlich der Formgenauigkeit und Komplexität der zu formenden Geometrie des Implantates gibt, zeigt diese Arbeit, dass das Verfahren der inkrementellen Blechumformung eine geeignete Alternative für die präoperative Herstellung von individuellen Implantaten für den Schädel‐ und Gesichtsbereich darstellt