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Menores custos de impressão e avanços na área possibilitam desenvolvimento de pesquisas aplicadas à Medicina
Ana Carolina Ribeiro dos Santos
Mariana Pellegrini Bertacini
Victor Dantas de Maio Martinez
A tecnologia empregada em impressoras 3D não é novidade, o uso dela como uma possibilidade na medicina sim. As próteses feitas por essas impressoras têm se configurado como uma alternativa de muitos benefícios. No Brasil e em países como Estados Unidos, ter uma prótese produzida por meio da tecnologia tridimensional é uma realidade. Equipes multidisciplinares compostas por profissionais da saúde, engenheiros e designers são as principais responsáveis por essa produção. Dentre os variados benefícios dessas próteses, o baixo custo, a rápida produção e personalização são os mais destacados pelos pesquisadores da área.
De acordo com site da 3DSystems, a primeira impressora 3D surgiu em 1983 criada por Charles Hull, engenheiro pela Universidade do Colorado e fundador da mesma. Mas foi em 1987 que o primeiro modelo de impressora com essa tecnologia foi apresentado ao mercado. Desde então, sua utilização vem sendo apropriada por diversos setores da sociedade, como a indústria aérea e, em uma utilização mais recente, a medicina.
Letícia Alcará é estudante de Design e pesquisa próteses feitas em impressoras 3D. Ela aponta que a utilização dessa tecnologia na produção de próteses configura-se como uma alternativa não só mais viável, porque mais acessível, mas muito mais prática. A Impressão em 3 dimensões possibilita que essas próteses sejam feitas de maneira mais barata, mais rápida e personalizada. Próteses humanas já foram feitas em universidades como a Unesp, Unicamp, Unifesp e em outros cantos do mundo e os benefícios delas são diversos.
Mais leves que as próteses convencionais e passíveis de personalização, as impressas com o recurso da tecnologia 3D são um avanço na Medicina, principalmente no que diz respeito às crianças. As próteses convencionais de reposição de membros, ainda que modernas, são caras, têm motores elétricos, são alimentadas por baterias e são mais pesadas, tornando-as equipamentos por vezes complicados de se usar. Combinando as dificuldades e o fator econômico ao crescimento rápido das crianças, muitas seguem sem a substituição do membro faltante. Esta é uma realidade que Organizações Não Governamentais (ONGs) como a Enabling the Future pretendem mudar.
Letícia Alcará desenvolve um Trabalho de Conclusão de Curso (TCC) que busca fazer uma prótese de membro superior para uma menina de 9 anos em parceria com o Centro Especializado em Reabilitação SORRI-Bauru. Letícia aponta que uma prótese convencional de membro superior equivalente à que ela está desenvolvendo custa em torno de 15 mil reais no mercado, enquanto a prótese teste feita por ela em tecnologia 3D fica torno de 300 reais a impressão.
“A prótese convencional é muito dura, as que eles têm na SORRI você tem que fazer o movimento com o ombro para que ela possa abrir e fechar, mas ela é muito dura e muito pesada, então a pessoa acaba deixando no guarda-roupa. Em contrapartida, a que eu estou fazendo você veste com um velcro e o movimento de ‘abrir’ e ‘fechar’ se dá quando flexiona o bíceps, ela é muito mais leve e fácil de usar”, conta a estudante. Letícia fez uma prótese teste e ainda trabalha na final. Mas garante que a menina já ficou muito empolgada só com os testes iniciais e pôde pegar vários objetos.
Prótese feita com tecnologia 3D para menina de 9 anos | Letícia Alcará
Em outro projeto feito em parceria com o zoológico de Bauru e o Centro de Desenvolvimento Avançado de Produtos (Cadep) da Unesp de Bauru professores e estudantes desenvolveram um bico para um tucano que levou um tiro. Letícia aponta que o tucano usava um bico feito de resina que era muito pesado o que impossibilitava a ave de voar e comer. Foi desenvolvido, então, a partir de um molde uma prótese de bico para o tucano em impressora 3D, com material adequado e que pudesse ser o mais parecido possível com o bico original.
Modelo de prótese de bico feita com tecnologia 3D para Tucano que perdeu o bico | Mariana Pellegrini
Segundo os pesquisadores entrevistados, além do baixo custo e da possibilidade em fazer próteses mais simples e funcionais, a tecnologia 3D permite que as peças sejam feitas com mais precisão. A partir de um molde que pode ser escaneado em um scanner tridimensional ou de uma ressonância, que possa mostrar com precisão as partes que necessitam ser impressas, e com a utilização de softwares open source em que é possível editar o projeto de acordo com as necessidades do usuário, as próteses podem ser produzidas atendendo especificamente às demandas de cada caso. Dessa forma, a precisão e personalização são mais algumas das vantagens dessas próteses.
O professor Osmar Rodrigues é designer e coordenador do Centro Avançado de Desenvolvimento de Produtos (Cadep) na Unesp Bauru, e desenvolve, em parceria com o curso de Medicina do campus da Unesp em Botucatu, um projeto de impressão de implantes cranianos. Na visão do professor a principal vantagem das impressões 3D é a customização, ou a personalização. “(É) você ter a chance de pegar uma coisa, mesmo já existente, e consegui adequá-la e adaptá-la a um paciente em particular. Guardadas as devidas proporções, é o que estamos fazendo com o implante craniano.” Osmar acredita que é uma vantagem que irá continuar “por um bom tempo”.
Ele explica que a customização é algo complicado de se fazer com os processos convencionais: “parte deles depende de uma ferramenta específica, que é cara, e isso só poderia ser feito viabilizando economicamente esse investimento. E pra fazer isso você teria que produzir, por exemplo, milhões de peças. Como é que vai atender um paciente em particular? Não dá.”
Professor Osmar Rodrigue, coordenador do Centro Avançado de Desenvolvimento de Produtos, explicando funcionamento de impressora 3D | Mariana Pellegrini
O processo de prototipagem rápida (tecnologia de manufatura aditiva, nome técnico para impressão 3D) existe na produção industrial desde a década de 80, segundo a empresa do ramo Stratsys. Porém, os custos para possuir uma máquina de impressão e do processo da prototipagem eram altos – sendo possíveis somente no meio industrial.
Nos anos que se passaram, houve uma evolução significativa dos métodos e materiais de impressão, além das tecnologias usadas na produção das próprias impressoras, o que favoreceu o barateamento e a proliferação da impressão 3D no início do século XXI.
A título de comparação histórica, uma notícia publicada em 2013 pelo G1 e conta a história de Rodrigo Krug, à época um dos pioneiros a fabricar impressoras 3D no Brasil. Rodrigo teve a ideia de investir nas impressoras em 2009, quando o mercado de impressão 3D ainda estava em fases iniciais no país, indicando que o setor é de fato recente.
Outro parâmetro de comparação é o preço das máquinas. Em 2013, uma impressora desktop comum custava R$ 7.000, segundo Rodrigo, enquanto a fabricada por ele em sua empresa startup era vendida por R$ 4.600. Quatro anos depois do lançamento do modelo de Rodrigo, é possível adquirir uma impressora 3D por preços a partir de 220 dólares, ou pouco mais de R$ 690, em diferentes modelos no site da Amazon.
Diante desse cenário de difusão e barateamento dos equipamentos e técnicas, Organizações Não Governamentais (ONGs) e startups nos Estados Unidos e Europa vêm usufruindo da tecnologia 3D para a impressão de próteses. A ONG norte-americana Enabling the Future, criada pelo médico Jon Schull, é fruto de uma parceria entre voluntários ao redor do mundo e tem como missão “give the world a ‘helping’ hand” (dar ao mundo uma mão amiga, em livre tradução).
O foco da ONG está no desenvolvimento, produção e aperfeiçoamento de projetos para reposição de mãos e dedos de crianças. As próteses desenvolvidas pela Enabling the Future não têm intenção de imitar os membros a serem repostos: modelos como Cyborg Beast, Raptor Hand e Talon Hand 2.X remetem a personagens de quadrinhos ou desenhos animados e podem ser produzidas em diversas cores.
O designer norte-americano Ivan Owen, co-designer da primeira prótese mecânica produzida em impressão 3D junto com carpinteiro sul-africano Richard Van As, é um dos principais integrantes da ONG e, ao invés de patentear seu trabalho, colocou-o em domínio público através de uma licença open source. O livre acesso aos arquivos de projetos permite que qualquer um, desde que conte com uma impressora 3D, possa fabricar as próteses.
A startup inglesa Open Bionics, surgida a partir de um crowdfunding, produz próteses customizadas e robotizadas. A iniciativa é também open source e desenvolve “mãos robóticas e próteses acessíveis, leves, modulares e adaptáveis, que podem facilmente ser reproduzidas usando materiais disponíveis na prateleira”. A Open Bionics já teve seu trabalho reconhecido em prêmios como Hackaday Prize (2015) e Robotdalen International Innovation Award (2015).
No Brasil, em uma parceria desenvolvida entre o Ministério de Ciência e Tecnologia e a Universidade de Campinas (Unicamp), criou-se o Instituto Biofabris. Nele são desenvolvidos projeto experimentais de próteses feitas em tecnologia 3D, pesquisas variadas na área de biofabricação, engenharia, ciências da vida e ciências básicas. O laboratório que é ligado ao Ministério de Ciência e Tecnologia abriga pesquisadores da Unicamp ligado às áreas de Física, Medicina, Engenharia Química e Engenharia Mecânica, junto a pesquisadores de outras Universidades e Institutos do país.
O Instituto de Ciência e Tecnologia da Universidade Federal de São Paulo (ICT-Unifesp), em São José dos Campos, é mais um local a onde se desenvolve esse tipo de prótese. Ele abriga o projeto de extensão Mão3D. Nele, estudantes que fazem parte do projeto desenvolvem próteses de mãos em tecnologia 3D para crianças. O projeto é financiado por um crowdfunding que possibilita a compra de material e impressão 3D, bem como o pagamento de bolsas para os estudantes que trabalham no projeto.
Na Unesp, em uma parceria entre o campus de Bauru e Botucatu, há o desenvolvimento de um projeto experimental que visa os estudos e produção de próteses cranianas. O projeto é composto por professores e estudantes do Cadep em conjunto com profissionais da área de Neurologia e Plástica da Faculdade de Medicina. Outros projetos como TCC e Iniciação Científica que desenvolvem estudos relativos a próteses 3D também são estudados na Unesp de Bauru em parceria com o Cadep.
Em Botucatu chegam as demandas, que são avaliadas e selecionadas segundo o grau de necessidade. Aristides Palhares Neto, professor da área plástica do curso de medicina da Unesp de Botucatu que desenvolve, em parceria com o Cadep, o estudo experimental de produção de próteses cranianas, afirma que os casos escolhidos são “os mais difíceis ou que expõem o paciente a maior risco.” Em Bauru chega diretamente a demanda das próteses. Os recursos são limitados e não é possível atender rapidamente a todos, conforme afirmação do médico Aristides: “nossa maior limitação são os custos para atender todos os casos.”
As universidades que produzem implantes e próteses, em parceria com centros médicos, não são submetidas a um processo de regulamentação por parte da ANVISA isso se deve ao fato desses projetos serem pesquisas experimentais, segundo o Professor Osmar Rodrigues. Mas ele frisa que esses projetos passam por um comitê de ética que avalia a viabilidade dos projetos dentro dessa questão.
Empresas como a mineira 3DLopes e a printdreams 3D de Campinas também produzem próteses utilizando a tecnologia. Na 3DLopes é possível comprar impressoras 3D e próteses feitas com esse método. Na printdreams 3D pode-se encomendar um arquivo final para a impressão da prótese quando e onde o consumidor quiser, bem como encomendar todo o processo, desde a criação do arquivo, a impressão da prótese e até a entrega.
Os profissionais envolvidos na produção dessas próteses são de diferentes áreas. De acordo com Fausto Medola – professor do Departamento de Design da Unesp de Bauru e pesquisador na área de tecnologia assistiva e design inclusivo – diversos profissionais podem participar e contribuir com o desenvolvimento de próteses, especialmente aqueles que trabalham com projeto, mas é sempre importante o acompanhamento de profissionais de saúde e técnicos em ortopedia técnica durante todo o processo.
Segundo o professor uma equipe multidisciplinar é o ideal. “É sempre positivo uma abordagem interdisciplinar com profissionais das áreas do Design, Engenharia e Saúde, uma vez que trata-se de um projeto de tecnologia assistiva e que esta é uma área reconhecidamente interdisciplinar”, aponta.
Para Letícia Alcará, o acompanhamento médico e uma equipe multidisciplinar é fundamental. “Na SORRI eles me ajudaram bastante, por exemplo, com o ângulo da rotação dos dedos que ajudaria a melhorar a ‘pega’ e outros conhecimentos particulares da área da saúde”, afirma a estudante.
Fausto Medola acrescenta: “a confecção de uma prótese a partir de uma abordagem interdisciplinar envolvendo profissionais das áreas de projeto (Design e Engenharia) e da Saúde é sempre beneficiada pois há conhecimentos específicos de cada área que, quando discutidos de forma complementar, contribuem para que o produto final atenda da melhor forma as necessidades, expectativas e preferências dos usuários.”
Em casos sem que haja um acompanhamento médico é possível que o processo aconteça, mas há advertências. “É importante que o profissional tenha conhecimento dos aspectos relacionados à amputação, bem como problemas que podem estar associados e dificultar a adaptação à prótese, por exemplo a sensação fantasma, hipersensibilidade na região do coto, edemas, entre outros. Ainda, o profissional deve buscar conhecer os aspectos funcionais dos níveis de amputação, de forma a projetar a prótese buscando o melhor desempenho funcional”, sugere Medola.
Quando se trata de próteses a serem implantadas, como as cranianas, há necessidade de acompanhamento médico, visto que o processo envolve conhecimentos específicos da área da medicina e indispensáveis na produção e desenvolvimento da prótese. Nesses casos, uma equipe formada por profissionais da área da saúde e de projeto é imprescindível.
Aristides Palhares aponta que a equipe que faz parte desse projeto é composta por “Cirurgiões Plásticos e Neurocirurgiões. As equipes cirúrgicas têm de quatro a seis membros e hoje temos cerca de 20 profissionais envolvidos entre médicos residente e professores”. Vale ressaltar que os profissionais que compõem o Cadep também fazem parte da equipe desse projeto.
Protótipo do implante de crânio desenvolvido pela parceria entre campi da Unesp de Bauru e Botucatu | Mariana Pellegrini
O processo para a produção de próteses consiste em alguns passos e depende da complexidade do processo. De maneira geral, o professor Fausto aponta para o seguinte caminho, “Parte-se de um projeto em software 3D dos principais componentes da prótese (partes dos dedos, palma das mãos, suporte para antebraço, encaixe, articulação) e, após preparo, as peças são impressas. Em seguida, o processo de montagem envolve a conexão de algumas partes e o sistema mecânico de acionamento para flexionar os dedos (fechar a mão), e a conformação das partes ao membro amputado”, explica.
Letícia Alcará diz que para próteses em que apenas um dos membros foi amputado, ou não existe, espelha-se no outro. A partir de uma scanner 3D ou de uma ressonância, o membro existente é escaneado e serve de modelo para o projeto da prótese que será trabalhado em um software. A partir desse arquivo (projeto gerado no software), o projetista (designer, engenheiro ou profissional capacitado) trabalha e faz as alterações necessárias para finalizar com a impressão teste e ajustes finais.
Alcará continua explicando que quando os dois membros são ausentes, se usa um software open source (software livre) no qual é possível acrescentar as dimensões do corpo e criar um arquivo que servirá de molde para impressão da prótese. “Deverá então ser feita uma impressão teste para que os ajustes necessários sejam feitos e que a prótese final seja impressa com precisão necessária e atendendo às necessidades específicas do usuário”, conclui a estudante.
No caso dos implantes cranianos desenvolvidos na parceria entre a Unesp de Botucatu e Bauru, o coordenador do Cadep Osmar Rodrigues explica que parte-se de uma ressonância ou tomografia computadorizada da cabeça do paciente, onde será possível verificar as dimensões da prótese que deverá ser feita. Nesse processo, o espelhamento da parte existente é usado como molde para a produção da prótese. Usa-se um software brasileiro livre (open source) – InVesalius – para reconstrução das imagens provindas de equipamentos de tomografia computadorizada ou ressonância magnética a fim de que o projeto da prótese seja trabalhado.
Outros softwares e hardwares são utilizados, para modelação e edição do projeto. Segundo a explicação do professor Osmar a prótese-teste é impressa e enviada à equipe médica em Botucatu que irá analisar o molde e sugerir possíveis modificações, bem como planejar a cirurgia. Após essa avaliação médica e ajustes finais a prótese é impressa definitivamente em polimetil-metacrilato (PMMA), popularmente conhecido como acrílico.
Rodrigues diz que assim como no caso em que os dois membros não existem, quando a lesão craniana é muito extensa e não há a “metade” da parte do crânio em que o projeto de prótese possa se espelhar, há a produção de um molde inicial que será escaneado em tecnologia 3D e trabalhado pela equipe médica e designers responsáveis. Após a produção desse molde e a impressão de prótese teste que sofrerá os ajustes necessários, os próximos passos são iguais aos relatados acima.
Osmar explica um pouco mais sobre o processo de produção do implante e o tempo de preparação da peça no Cadep, que é curto. “Se não tivermos nenhum tipo de complicação, se é o caso de espelhamento, se não tem apenas uma região ou grande complexidade, chegamos a fazer em 8 dias. No ano passado tivemos um caso em que a paciente perdeu toda a parte frontal do crânio, de hemisfério a hemisfério, a região da testa. Nesse caso não conseguimos usar o recurso do espelhamento e a peça foi construída, modelada do zero para ela. Isso demandou um pouco mais de tempo, cerca de três semanas só para modelagem.
O tempo também depende da disponibilidade de equipamento.” As impressões acontecem overnight, são realizadas durante a noite. O professor explica que, uma vez impressa, a peça passa por um pós-processamento: limpar, tirar os resíduos, descansar. Posteriormente o implante é enviado para Botucatu.
Osmar ressalta que há ONGs e softwares open source que disponibilizam arquivos de moldes prontos que podem ser editados e usados livremente. Nesse caso, a possibilidade de impressão de próteses sem que seja necessário scanner com tecnologia 3D ou uma ressonância existe. Mas o acompanhamento médico, como já mencionado, é sempre uma alternativa interessante e pode auxiliar na produção de uma prótese muito mais útil, eficiente e específica para o usuário.
Infográfico comparativo entre próteses usuais e próteses feita com tecnologia 3D | Victor Dantas
Dentre os ganhos sociais que as próteses feitas em impressora 3D trazem para a sociedade, Letícia Alcará ressalta a questão financeira, já que por serem mais baratas se tornam mais acessíveis à população. “Mas para mim o principal ganho é a personalização porque assim elas se tornam mais aceitas pelas crianças, porque você pode fazer do jeito que elas quiserem, não é aquela coisa que imita uma mão mesmo. Você pode fazer do personagem que elas gostam e a criança vai gostar, os amigos dela vão gostar, então a prótese será muito mais aceita”, relata a estudante.
Para o professor Fausto Medola o ganho social centra-se na popularização do produto, “como a tecnologia de impressão 3D tem se popularizado, os custos do processo de fabricação e materiais estão se tornando cada vez mais acessíveis”, aponta.
Pensando na possibilidade das próteses feitas com tecnologia 3D substituírem as comuns, Fausto nos aponta os possíveis impactos desse processo, “em última análise, acredito que os maiores impactos seriam na perspectiva do paciente, pois teriam acesso à dispositivos personalizados, mais leves e de funcionamento mais simples, o que pode contribuir de forma importante para a aceitação e satisfação do usuário”, sugere o pesquisador.
O professor Aristides Palhares concorda com Fausto e declara: “espera-se que, com a popularização do método os custos venham a cair. Eu não diria que o método substituirá totalmente os métodos tradicionais, mas será um grande ganho e tem boa chance de se tornar um método muito utilizado”.
Professor coordenador do CADEP, Osmar Rodrigues, comenta sobre o projeto em parceria com a Faculdade de Medicina da Unesp de Botucatu.
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