Placche chirurgiche specifiche per paziente stampate in 3D rispetto a placche chirurgiche convenzionali nella ricostruzione della mascella

Questo studio clinico controllato randomizzato si basava sul nostro precedente studio clinico "Three-Dimensional Printing of Patient-Specific Titanium Plates in Jaw Surgery: A Pilot Study" (HKU/HA HKW IRB, No. UW 16-315; registrato in ClinicalTrials.gov con n. NCT03057223; supportato dal progetto HMRF n.: 05161626).

Negli ultimi decenni, i lembi ossei vascolarizzati autologhi sono diventati la scelta preferita per la ricostruzione della testa e del collo. L'afflusso di sangue anastomizzato conferisce ai lembi ossei vascolarizzati un tasso di sopravvivenza migliorato e prestazioni anti-infettive intrinseche. Insieme allo sviluppo della chirurgia microvascolare, i chirurghi cercano una ricostruzione più accurata per migliorare i migliori risultati estetici e funzionali. Tuttavia, uno dei principali svantaggi dei lembi di osso autologo è la mancata corrispondenza della forma dell'osso del donatore, che deve essere tagliato e rifilato per adattarsi ai difetti e ripristinare meglio l'aspetto naturale. Sono stati dedicati molti sforzi per facilitare le manipolazioni ossee, e poi la chirurgia assistita da computer (CAS) è emersa nel 21° secolo come un'opzione praticabile. In CAS, i chirurghi eseguono piani virtuali al computer, che poi guidano il prelievo preciso e la disposizione dei segmenti ossei per riparare i difetti in sala operatoria. I segmenti ossei possono essere spostati con precisione per ripristinare al meglio lo scheletro originale. In ricerche precedenti, sono stati sviluppati vari dispositivi per navigare nei segmenti ossei secondo piani virtuali, inclusi modelli di taglio, modelli di cranio e sistema di navigazione chirurgica.

Tuttavia, l'anello mancante tra la navigazione ossea e la ricostruzione accurata è la procedura di fissazione della placca. In modo convenzionale, i segmenti ossei vengono fissati utilizzando placche in titanio disponibili in commercio, che devono essere piegate e attorcigliate manualmente per adattarsi all'anatomia ossea. Il processo di rimodellamento manuale è spesso noioso e impegnativo dal punto di vista tecnico e influisce negativamente sulla posizione precisa dei segmenti ossei. Quel che è peggio, piegamenti ripetuti possono anche portare a scarse prestazioni a fatica. Gli svantaggi delle placche chirurgiche convenzionali rendono necessario lo sviluppo di placche chirurgiche specifiche per il paziente. Rispetto alle placche convenzionali, le placche chirurgiche specifiche per il paziente sono progettate e realizzate in strutture 3D allineate con i singoli contorni ossei. Invece di modellare le placche basate sulla struttura anatomica delle ossa nelle placche convenzionali, le placche chirurgiche specifiche del paziente navigano nella piegatura e nella posizione precisa dei segmenti ossei e, si spera, migliorano l'accuratezza della ricostruzione. Nel frattempo, poiché non è necessario piegare la placca, è possibile utilizzare placche chirurgiche specifiche per il paziente per ottimizzare la ricostruzione ossea in modo più efficiente e standardizzato.

Negli ultimi anni, con il rapido sviluppo della produzione additiva (stampa 3D), è ora possibile produrre impianti metallici specifici per il paziente con strutture topologicamente ottimizzate. Sono stati compiuti molti sforzi per sviluppare scaffold ossei porosi per la medicina rigenerativa, dotati di porosità personalizzata per ottenere proprietà biomeccaniche ottimali. Tuttavia, sebbene gli scaffold ossei prodotti in modo additivo dimostrino prestazioni eccellenti in alcuni casi complicati, non possono ancora sostituire il ruolo dominante dei lembi ossei vascolarizzati autologhi nella ricostruzione della testa e del collo. Pertanto, è di fondamentale importanza esplorare l'applicazione di placche chirurgiche specifiche per paziente prodotte in modo additivo (stampate in 3D), sebbene non siano state condotte molte ricerche in questa direzione.

Nel nostro studio precedente (HKU/HA HKW IRB, n. UW 16-315) supportato da Health and Medical Research Fund (Progetto n.: 05161626), i ricercatori hanno prodotto con successo placche in titanio specifiche per paziente con elevata precisione attraverso la fusione laser selettiva (SLM), che è una tecnologia di stampa 3D ad alta tecnologia che fonde completamente le polveri di titanio in entità complete nel modo strato per strato. SLM consente la fabbricazione di placche chirurgiche in titanio specifiche per paziente con strutture su misura e proprietà biomeccaniche eccezionali. I nostri risultati hanno mostrato risultati clinici promettenti nell'applicazione di placche in titanio specifiche per paziente stampate in 3D nella ricostruzione della testa e del collo. Inoltre, i ricercatori hanno condotto uno studio retrospettivo confrontando i pazienti sottoposti a chirurgia ricostruttiva della mascella utilizzando placche chirurgiche specifiche per paziente stampate in 3D rispetto a placche in titanio convenzionali e il risultato ha mostrato una precisione superiore dei risultati della ricostruzione nel gruppo di studio con l'uso di pazienti stampati in 3D- placche chirurgiche specifiche. Tuttavia, c'erano limiti significativi nel nostro studio. In primo luogo, come studio retrospettivo, il difetto innato del disegno dello studio era inevitabile, come il bias di selezione. In secondo luogo, c'era una differenza significativa nei periodi di follow-up tra il gruppo di studio e il gruppo di controllo. I dati di imaging utilizzati per l'analisi dell'accuratezza sono stati ottenuti durante diversi periodi postoperatori, il che ha compromesso i risultati finali. Infine, gli endpoint di efficienza chirurgica, come il tempo dell'operazione, la perdita di sangue e la degenza ospedaliera post-operatoria, che potrebbero essere significativamente influenzati da molteplici fattori di confusione, sono difficili da controllare con il disegno dello studio retrospettivo. Pertanto, mancano ancora prove di alto livello sui vantaggi delle placche chirurgiche specifiche per paziente stampate in 3D nella ricostruzione della testa e del collo. Se le placche chirurgiche specifiche del paziente stampate in 3D migliorano l'accuratezza e l'efficienza chirurgica rispetto alle placche convenzionali nella ricostruzione della mascella assistita da computer, dovrebbe essere ulteriormente indagato prima dell'applicazione clinica su larga scala.

Pertanto, i ricercatori mirano a valutare l'accuratezza chirurgica e l'efficienza della ricostruzione della mascella assistita da computer utilizzando placche chirurgiche in titanio specifiche per paziente stampate in 3D rispetto a placche convenzionali in uno studio clinico prospettico randomizzato controllato. Il nostro studio dovrebbe fornire prove di alto livello per promuovere la popolarità dell'utilizzo della nuova tecnologia di stampa medica 3D nel campo chirurgico.

Metodi

La metodologia è già stata impostata ed è stata dimostrata fattibile nei nostri studi precedenti. Il PI lavora da diversi anni alla simulazione chirurgica assistita da computer, alla pianificazione virtuale e alle mascherine chirurgiche stampate in 3D nella chirurgia maxillo-facciale e ha pubblicato una serie di articoli.

1. Chirurgia computer assistita

   Le tecniche CAS utilizzate nella ricostruzione della testa e del collo sono ben consolidate nella nostra unità e sono state descritte in precedenza. In breve, CAS è composto da tre fasi principali: la fase preoperatoria della chirurgia virtuale e la stampa 3D dei dispositivi specifici del paziente, la fase intraoperatoria che prevede la chirurgia di precisione per installare i dispositivi specifici del paziente e la fase postoperatoria coinvolgendo l'analisi di accuratezza. I dispositivi specifici per il paziente possono includere guide di taglio, guide di posizionamento e placche in titanio specifiche per il paziente. Nella nostra sperimentazione, il gruppo di studio utilizzerà guide di taglio e placche in titanio specifiche per il paziente, mentre il gruppo di controllo utilizzerà guide di taglio, guide di posizionamento e placche convenzionali.

   Nella fase preoperatoria, la chirurgia virtuale sarà eseguita dai chirurghi utilizzando il software ProPlan CMF 2.0 (Materialise, Leuven, Belgio). I dati CT del paziente vengono inizialmente segmentati per ricostruire modelli virtuali 3D della mascella o della mandibola utilizzando l'interfaccia interattiva di ProPlan. Successivamente, nei modelli 3D viene eseguita la resezione ossea per la rimozione in blocco di eventuali tumori. Nel frattempo, gli innesti ossei vengono prelevati dal perone o dalla cresta iliaca per riparare i difetti e ripristinare l'aspetto normale. Infine, la mascella o la mandibola virtualmente ricostruite vengono utilizzate per progettare dispositivi specifici per il paziente per navigare nei segmenti ossei.

2. Produzione additiva di dispositivi specifici per il paziente

   Rispetto all'approccio convenzionale di progettare dispositivi specifici per il paziente utilizzando società di ingegneria, abbiamo adottato un approccio interno che consente ai chirurghi di progettare e produrre i dispositivi. Tutti i dispositivi specifici per il paziente sono progettati in 3-matic 13.0 (Materialise). Le guide di taglio, che guidano e si adattano alla superficie ossea per un'accurata resezione ossea, vengono generate avvolgendo la superficie ossea.

   Per il gruppo di studio, le placche chirurgiche specifiche del paziente sono progettate delineando il percorso della placca sulla superficie ossea, seguito dal posizionamento dei fori delle viti. Le placche chirurgiche sono generate da un comando integrato in 3-matic. Successivamente, le placche chirurgiche vengono fabbricate da SLM utilizzando polvere di titanio di grado 2. Per il gruppo di controllo, saranno progettate guide di posizionamento per l'allineamento e l'inserimento del segmento osseo.

   Entrambe le guide di taglio e posizionamento saranno prodotte in modo additivo mediante Fused Deposition Manufacturing (FDM) utilizzando ULTEM 1010 o mediante stereolitografia utilizzando la resina MED610 (Stratasys Ltd, Eden Prairie, MN, USA). Sia ULTEM 1010 che MED610 sono materiali biocompatibili approvati dalla FDA utilizzabili in autoclave ad alta temperatura.

3. Procedure chirurgiche

   Nel presente studio, tutti i pazienti di entrambi i gruppi saranno sottoposti a CAS eseguito dallo stesso capo chirurgo (PI). Durante l'intervento chirurgico, le guide di taglio specifiche per il paziente consentiranno una precisa resezione dell'osso mascellare e l'osteotomia del lembo osseo.

   Nel gruppo di controllo, la disposizione dei segmenti ossei sarà manipolata secondo la guida di posizionamento. I segmenti ossei saranno stabilizzati utilizzando piastre chirurgiche commerciali in titanio (DePuy Synthes, Stati Uniti), che vengono piegate manualmente prima del fissaggio con viti. Nel gruppo di studio, le placche chirurgiche specifiche del paziente saranno progettate e fabbricate per adattarsi su misura ai contorni ossei della mascella o della mandibola ricostruita. I fori delle viti incorporati nelle guide di taglio corrispondono alle placche chirurgiche specifiche del paziente stampate in 3D, che guideranno la posizione delle placche chirurgiche e dei segmenti ossei, facilitando così la piegatura, il posizionamento e il fissaggio dei segmenti ossei nella chirurgia reale. La gestione perioperatoria standard sarà simile in entrambi i gruppi. Il follow-up post-operatorio sarà condotto in modo routinario.

4. Procedure di raccolta dei dati

La scansione TC sarà ottenuta al basale (prima dell'intervento) e dopo l'intervento (entro 1 mese dall'intervento). L'accuratezza della ricostruzione sarà valutata in modo indipendente da due valutatori. La formazione verrà fornita utilizzando casi precedenti e la calibrazione tra i due valutatori sarà effettuata con l'obiettivo di raggiungere un accordo inter-valutatore superiore al 90% in tre casi di formazione consecutivi prima di iniziare la misurazione dei casi soggetti in questo studio. Verranno registrate altre informazioni come il tempo di ricostruzione, il tempo operatorio totale, la perdita di sangue intraoperatoria, la durata della degenza ospedaliera postoperatoria e gli eventi avversi postoperatori.