Étude in vitro comparative de la déformation de modèles imprimés en 3D avec différents PLA après passage en stérilisation à la vapeur d’eau

Abstract

Introduction

L’impression 3D, actuellement en plein essor en chirurgie orthopédique, nécessite l’utilisation de matériau. L’acide polylactique (PLA) qui est le matériau le plus communément utilisé en impression 3D grand publique présente une thermosensibilité peut le rendre incompatible avec la stérilisation. Il reste néanmoins facile d’utilisation, peu coûteux, non toxique et biodégradable, son utilisation est le fruit d’une controverse dans la littérature. L’impression de pièces 3D en PLA par le chirurgien selon ses besoins et donc directement stérilisables serait donc un avantage pour la chirurgie, mais ces interrogations subsistent. Aussi nous avons mené une étude in vitro comparative afin de savoir quel PLA résistait à la stérilisation à la vapeur.

Hypothèse

Nous avons émis l’hypothèse que le modèle imprimé en 3D en PLA en fonction de sa marque et de sa forme, pouvait rester conforme après un passage en cycle de stérilisation à la vapeur d’eau.

Matériel et méthodes

Nous avons donc sélectionné 4 marques de PLA, chacune a été utilisée pour imprimer 4 formes simples, un cube, et 4 formes complexes sous la forme d’un os cuboïde du pied. Nous leur avons fait passer un cycle de stérilisation à la vapeur d’eau dans les conditions habituelles des normes hospitalières françaises. Nous avons mesuré la taille de chaque cube avant et après stérilisation par un pied à coulisse numérique.

Résultats

Les cuboïdes imprimés en HT-PLA et en PLA-WANAO ont subi des déformations moyennes respectivement de –0,02 mm et –0,4 mm. Les différences n’étaient pas significatives avant et après stérilisation à la vapeur d’eau (p = 0,679 et p = 0,241). Les cuboïdes avec les PLA SUNLU et PLA G3D ont subi des déformations significatives, respectivement en moyenne –1,37 mm (p = 0,026) et –35,03 mm (p > 0,001).

Les cubes avec tous les types de PLA ont subi des déformations significatives avec comme déformation moyenne pour le HTPLA –0,61 mm (p = 0,004), le PLA SUNLU –2,70 mm (p = 0,002), le PLA G3D –28,64 mm (p > 0,001), le PLA WANAO –1,33 mm (p = 0,010).

Discussion

Cette étude nous permet de confirmer des résultats récents montrant que la stérilisation à la vapeur d’eau de certains modèles imprimés en PLA est possible avec des déformations inférieures à 1 mm et que le choix des marques est crucial pour la réussite. Cette étude n’a pas démontré que les objets conçus par ordinateur, tel un cube, pouvaient résister au cycle de stérilisation sans déformation significative. Il n’y a pas eu d’analyse de résistance à différentes contraintes permettant de suggérer son utilisation pour d’autre utilisation que l’impression de modèle anatomique. L’internalisation de l’impression 3D dans les hôpitaux français est probablement une source réelle d’innovation et d’amélioration de la qualité des soins. Néanmoins la création d’un cadre légal adapté pour l’utilisation des modèles 3D doit être constituée autant pour garantir la sécurité des patients que de permettre la promotion de la recherche dans ce domaine.

Niveau de preuve

III ; étude prospective in vitro.

Introduction

3D printing, which is becoming ever more widespread in orthopedic surgery, requires specific materials. Polylactic acid (PLA) is the most widely used in general-purpose 3D printing, but its thermosensitivity can be incompatible with sterilization. Even so, it is easy to use, inexpensive, non-toxic and biodegradable. Controversy surrounds its use. 3D printing of directly sterilizable PLA parts according to surgeons’ needs would be highly advantageous, but doubts remain. We therefore performed an in-vitro study to determine which PLAs resist steam sterilization regarding deformation.

Hypothesis

The study hypothesis was that, depending on make and shape, 3D printed PLA parts can retain their properties after steam sterilization.

Material and methods

We selected 4 makes of PLA and used each to print 4 simple cubes and 4 complex shapes corresponding to cuboid bones. They were subjected to steam sterilization under normal French hospital conditions. The size of the cubes was measured before and after sterilization, using a digital caliper.

Results

Cuboid parts in HT-PLA and PLA-WANAO showed mean deformation of –0.02 mm and –0.4 mm, respectively after sterilization, the differences being non-significant (P = 0.679 and P = 0.241 respectively). Cuboid parts in PLA-SUNLU and PLA-G3D showed significant mean deformation: respectively, –1.37 mm (P = 0.026) and –35.03 mm (P > 0.001). Cubes in all types of PLA showed significant mean deformation: HTPLA, –0.61 mm (P = 0.004); PLA-SUNLU, –2.70 mm (P = 0.002); PLA G3D, –28.64 mm (P > 0.001); and PLA-WANAO, –1.33 mm (P = 0.010).

Discussion

The study confirmed recent findings that steam sterilization is feasible with certain PLA-printed parts, with deformations less than 1 mm, and that choice of PLA is crucial for success. Computer-designed objects (here, cubes) did not resist sterilization without significant deformation. Analysis of resistance to various stresses was not performed, and therefore it cannot be claimed that the process could be used other than for printing anatomic parts. Use of 3D printing in French hospitals is probably a real source of innovation and improvement in care quality; however, a legal framework needs establishing for the use of 3D printed parts, to ensure patient safety and promote research in this field.

Level of evidence

III; prospective in-vitro study.