Sistemas de impresión 3-D y sus aplicaciones en Urología

Introducción

La tecnología de impresión en 3 dimensiones (3D) es uno de los grandes campos de desarrollo en el ámbito biosanitario debido a sus potenciales aplicaciones en Biomedicina. El inicio de esta tecnología se remonta a la década de los 80, cuando Charles Hull desarrolló la primera impresora que permitía moldear una resina fotosensible a la luz ultravioleta mediante un proceso como estereolitografía (SLA) (1). Actualmente existen 3 campos en los que la impresión 3D se aplica en nuestro medio:

• Creación de materiales biocompatibles para su aplicación directa sobre pacientes: Fue el primer uso y probablemente sea el más interesante dado su potencial. Se utiliza principalmente en ortopedia y cirugías traumatológicas y maxilofaciales. En Urología aún no se ha implantado su uso, pero se está experimentando en el campo de la cirugía reconstructiva (2-3).
• Simulación de estructuras anatómicas de pacientes individualizados: Esta modalidad se utiliza principalmente para la preparación quirúrgica de casos complejos. En Urología se ha desarrollado principalmente para la preparación de cirugía renal compleja, tanto tumoral como litiásica (4-5).
• Modelos anatómicos para el aprendizaje de técnicas quirúrgicas: La posibilidad de que residentes y adjuntos jóvenes perfeccionen sus habilidades quirúrgicas con modelos artificiales y simuladores virtuales, redunda en una mejora en la calidad asistencial, sobre todo en la seguridad del paciente (6). Además, estos modelos 3D suponen una alternativa coste-efectiva a modelos animales. En Urología hay disponibles múltiples modelos anatómicos para la simulación de cirugías de trasplante renal, nefrectomía parcial, pieloplastia, implantes de prótesis de pene o ureteroscopias flexibles.

Imágenes 1 y 2. Simuladores 3-D para el implante de prótesis de pene y anastomosis vascular del trasplante renal, creados por Luis Orantes, CEO de Factoría de Patologías (imágenes cedidas).

Tipos de impresoras y materiales

Actualmente, existen múltiples tecnologías de impresión, cada una con sus propias ventajas y limitaciones. Todas comparten similitudes con las impresoras de inyección de tinta, ya que mueven un cabezal de impresión a lo largo de los ejes X e Y para depositar material. A diferencia de las impresoras convencionales, las impresoras 3D también operan en el eje Z, lo que permite construir objetos tridimensionales capa a capa. Estos son los principales tipos de impresoras disponibles:

• FDM/FFF (Modelado por deposición fundida): la impresora actúa como una “pistola de silicona caliente” que va extruyendo hilo termoplástico (PLA, ABS) capa a capa. Es la opción más económica y suficiente para piezas rígidas y poco críticas en precisión.
• SLA/DLP/LCD (Estereolitografía o vat-photopolymerization): una cuba de resina líquida se solidifica selectivamente con luz ultravioleta. Ofrece excelente resolución superficial (100–25 µm), permite trabajar sobre resinas biocompatibles, y crear material esterilizable.
• PolyJet (inyección de material): microgotas de fotopolímero se proyectan como en una impresora de tinta convencional y secan al instante. Permite combinar en la misma pieza zonas duras y blandas (p.e. riñón con vasos y parénquima) y es el estándar actual para modelos “real-feel”, aunque el coste de máquina y cartuchos es alto.
• SLS (sinterización selectiva por láser): un láser fusiona polvo de poliamida o titanio capa a capa. Se emplea menos en simuladores urológicos, pero es útil para fabricar implantes porosos o instrumentación ligera sin soportes de impresión.

En medicina y cirugía, las técnicas de estereolitografía y la inyección de material son las más utilizadas por su alta precisión dimensional y capacidad para producir superficies más lisas y homogéneas.

En cuanto a los materiales de impresión 3D, en la actualidad existen multitud de opciones, cada una con sus particularidades, que permiten una impresión 3D más ajustada a la funcionalidad que precisemos. Las principales características a tener en cuenta son la precisión geométrica, el comportamiento mecánico y el coste de dicho material:

• PLA (Polylactic Acid): Procedente de recursos renovables como el almidón de maíz o la caña. El PLA es usado principalmente en impresoras de FDM y sus características principales son el bajo coste y la rigidez de la impresión. También hay que destacar su origen ecológico y sostenibilidad medioambiental. Este material es comúnmente utilizado para la realización de maquetas óseas y modelos bioanatómicos (4, 7-8).
• ABS (Acrylonitrile-Butadiene-Styrene): Material derivado del etileno y el benceno utilizado en impresoras de FDM destacando entre sus características la mayor resistencia térmica y el acabado liso. Este material se ha utilizado para la recreación de modelos de entrenamiento en el uso de ureterorrenoscopia (5-7).
• Elastómero fotopolimérico: Tiene su origen en diisocianatos y acrilatos de origen fósil. Este material es usado principalmente con la tecnología de impresión Polyjet/Digital Anatomy. La principal ventaja de este material radica en su elevada elasticidad, permitiendo la creación de simuladores de entrenamiento para la práctica quirúrgica (9-10).
• Resina biocompatible: Proviene de derivados acrílicos y se utilizan en impresoras de estereolitografía (SLA). La principal característica de estas resinas es su certificación ISO 10993, permitiendo la creación de guías y agujas esterilizables por vapor o plasma hasta los 135ºC (11).
• Silicona platino: Obtenido a partir de silicio metálico (arena cuarzo) con adición con catalizador de platino y es usado principalmente como moldeo sobre impresión. Permite la creación de “carcasas” rígidas sobre las que imprimir otros materiales maleables para la creación de modelos de simulación (12).
• PCL (Policaprolactona): Tiene un origen petroquímico y es usado mediante impresoras FDM y Bioprint. Sus características principales son su biocompatilibidad, ser reabsorbibles y permitir la creación de estructuras porosas. Estas características han permitido que el PCL sea usado para la creación de “andamios” sobre los que se pueden aplicar elementos celulares, útiles en el campo de la medicina reconstructiva y regenerativa (3).

En el anexo 1 incorporamos una tabla resumen de los materiales y sus características principales.

Flujo de trabajo de la impresión 3D

El proceso de impresión comienza con la adquisición de un modelo digital. En el ámbito médico, este modelo suele generarse a partir de imágenes diagnósticas, como tomografías computarizadas o resonancias magnéticas, que producen conjuntos de datos conocidos como archivos DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine). Este formato es el utilizado cuando se quieren crear modelos individualizados para la planificación quirúrgica de casos complejos. Alternativamente, se pueden usar mediciones antropométricas junto con programas de diseño como el CAD (Computer Aided Design) para crear una réplica del órgano deseado. Esta forma es más sencilla, habiendo múltiples diseños predeterminados que pueden descargarse desde plataformas especializadas como “Thingiverse” o “Printables”. Este formato es muy útil para la creación de modelos anatómicos standard para formación médica.

Para obtener imágenes precisas, se recomienda utilizar vóxeles isotrópicos (cortes de una imagen) de entre 0.25 y 1.25 mm³. Estructuras óseas como la pelvis pueden modelarse con secciones más gruesas, pero órganos más complejos como el parénquima renal, la próstata o los vasos sanguíneos requieren cortes más finos.

Una vez obtenidas las imágenes, el siguiente paso es el post-procesamiento, esencial cuando se trabaja con archivos DICOM. Este proceso consiste en manipular las imágenes en un software especializado, con el objetivo de simplificar el conjunto de datos original, conservando únicamente las regiones de interés (ROI). La segmentación —la selección y aislamiento de estructuras relevantes— puede realizarse de manera manual, automática o semiautomática, dependiendo del software utilizado.

Dado que las impresoras 3D no pueden trabajar directamente con archivos DICOM, es necesario convertirlos a un formato compatible, como el STL (Standard Tessellation Language). Este formato codifica la geometría superficial del modelo en forma de triángulos o facetas, los cuales se ensamblan en el espacio tridimensional para formar el objeto completo.

Tras estos pasos, comienza la impresión propiamente dicha. El proceso inicia calentando el material seleccionado hasta que alcance la viscosidad adecuada para ser modelado. El cabezal de la impresora entonces se mueve sobre el plano horizontal para depositar el material en puntos específicos definidos por el archivo STL hasta completar una capa. El material se solidifica mediante enfriamiento o aplicando luz ultravioleta. En ese momento el cabezal se desplaza una altura determinada y el proceso se repite. Una vez finalizada la impresión, puede ser necesario realizar un procesamiento adicional para eliminar irregularidades, limpieza, pulido y/o ensamblaje de piezas, para obtener la representación anatómica definitiva.

Aplicaciones de la impresión 3D en Urología Funcional

En un primer proyecto desarrollado en 2021, realizamos un estudio consistente en una encuesta dirigida a los urólogos especialistas en Urología Funcional de los 26 hospitales públicos de la Comunidad de Madrid, con el fin de evaluar la variabilidad clínica en el manejo de la patología funcional y del suelo pélvico en nuestro medio, y evaluar la dotación de medios y necesidades demandadas por los distintos Servicios (13). Entre las distintas conclusiones que obtuvimos con dicho estudio, una de ellas fue la necesidad de incentivar y desarrollar el conocimiento de algunas técnicas, como la neuroestimulación de raíces sacras.

A pesar del tiempo transcurrido desde sus inicios, su probada eficacia y el aumento en la prevalencia de disfunciones miccionales subsidiarias de este tratamiento, la práctica de este procedimiento no tiene la extensión que cabría esperar. Entre las distintas limitaciones que presenta, la dificultad de la técnica quirúrgica supone una importante barrera a la hora de su implantación.

Para corregir esta limitación, hemos creado un modelo anatómico mediante la tecnología de impresión 3D, creado por Luis Orantes del equipo de Factoría de Patologías, que permita la simulación y aprendizaje de la correcta técnica quirúrgica para la implantación del electrodo. Los modelos anatómicos realizados hasta la fecha se han limitado a la planificación quirúrgica de pacientes con anatomías complejas para facilitar la implantación del electrodo (14) o modelos anatómicos groseros para tutorizar la punción y colocación del electrodo (11), pero ninguno que permita realizar este procedimiento guiado por escopia, como suele realizarse en quirófano, para conseguir un aprendizaje estandarizado de la técnica quirúrgica.

Para la creación del modelo hemos diseñado una pelvis ósea modelada en un software de diseño 3D orgánico (ZBrush®) como referencia. Hemos modificado dicho diseño, retirando una parte del pubis para facilitar que el diseño tenga una mayor estabilidad sobre una superficie plana de cara a la posterior punción y aligerar el modelo. El material usado para la pelvis ósea es un filamento para impresión 3D de ácido poliláctico (PLA). La impresión se realizó en una impresora marca Creality® modelo K1 Max. Para simular la piel y tejidos blandos que recubran la superficie ósea hemos usado una espuma de silicona de baja densidad, de la marca Smooth On®, para conseguir que todas las estructuras sean visibles a través de la fluoroscopia. Esta textura también consigue una sensación realista en el momento de la punción y colocación del electrodo.

Figuras 3-7. Modelo para simulación de la técnica de neuroestimulación de raíces sacras. Desarrollo de la técnica con imágenes de fluoroscopia.

Conclusiones

La impresión 3D es una tecnología en claro auge, con un potencial de desarrollo muy alto. El refinamiento de la tecnología de impresión, su mayor accesibilidad y el abaratamiento de los costes, han permitido que se incorpore progresivamente en el ámbito biosanitario. La posibilidad de crear modelos anatómicos para el aprendizaje de técnicas quirúrgicas o la preparación de casos complejos facilita el aprendizaje mediante modelos más coste efectivos y sostenibles que los animales y redunda en una mayor seguridad para los pacientes. Además, la posibilidad de crear materiales biocompatibles es quizá el aspecto más interesante por desarrollar dada su potencial aplicación en el campo de la medicina regenerativa y reconstructiva. Por estas razones, consideramos que los urólogos debemos familiarizarnos con esta tecnología y el uso de estos modelos, porque son ya parte de nuestra formación médica y serán parte de nuestras herramientas terapéuticas en un futuro no muy lejano.

ANEXOS

Anexo 1. Tabla de materiales

BIBLIOGRAFÍA

1. Hull CW. Apparatus for production of three-dimensional objects by Stereolithography Google Patents. 1986.
2. Advances in 3D bioprinting for urethral tissue reconstruction. Booth, Daniel et al. Trends in Biotechnology, Volume 42, Issue 5, 544 – 559
3. Barasa P, Simoliunas E, Grybas A, Zilinskaite-Tamasauske R, Dasevicius D, Alksne M, et al. Development of multilayered artificial urethra graft for urethroplasty. J Biomed Mater Res A 2025 Jan;113(1):e37796.
4. de Luyk N, Namdarian B, Challacombe B. Touching the future: three-dimensional printing facilitates preoperative planning, realistic simulation and enhanced precision in robot-assisted laparoscopic partial nephrectomy. BJU Int Apr 2017;119(4):510-2.
5. Seo N, Alsaikhan B, Gao B, Djuimo M, Koo S, Hosseinpour S, et al. A Novel Ureteroscopy Training Platform That Utilizes CT Urograms to Replicate Complex Renal Collecting System Anatomies. J Endourol Aug 2023;37(8):965-71.
6. Ahmed E. Ghazi, Brett A. Teplitz. “Role of 3D printing in surgical education for robotic urology procedures”. Transl Androl Urol 2020;9(2):931-941.
7. John J, Bosch J, Adam A, Fieggen G, Lazarus J, Kaestner L. Design and Validation of a Novel 3D-Printed Retrograde Intrarenal Surgery Trainer. Urology Sep 2024; 191:171-6.
8. César-Juárez ÁA, Olivos-Meza A, Landa-Solís C, Cárdenas-Soria VH, Silva-Bermúdez PS, Suárez Ahedo C, et al. Uso y aplicación de la tecnología de impresión y bioimpresión 3D en medicina. Revista de la Facultad de Medicina (México) Dic 2018; 61(6):43-51.
9. Sparks AJ, Smith CM, Allman AB, Senko JL, Meess KM, Ducharme RW, et al. Compliant vascular models 3D printed with the Stratasys J750: a direct characterization of model distensibility using intravascular ultrasound. 3D Print Med Sep 2021;7(1):28.
10. Catasta A, Martini C, Mersanne A, Foresti R, Bianchini Massoni C, Freyrie A, et al. Systematic Review on the Use of 3D-Printed Models for Planning, Training and Simulation in Vascular Surgery. Diagnostics (Basel) Jul 2024;14(15):1658.
11. Aydogan TB, Patel M, Digesu A, Mourad S, Castro Diaz D, Ezer M, et al. Innovative training modality for sacral neuromodulation (SNM): Patient-specific computerized tomography (CT) reconstructed 3D-printed training system: ICS School of Modern Technology novel training modality. Neurourol Urodyn Jan 2023;42(1):297-302.
12. Hendarmo RA, Birowo P, Rasyid N et al. Development of an Affordable Silicone Phantom of The Kidney with 3D Printed Mould for Ultrasound Guided Percutaneous Nephrolithotomy Training in Indonesia. F1000Research 2025, 14:237.
13. L.M. Quintana Franco, R. González López, H. Garde García, J.M. Díez Rodríguez y C. González Enguita. Estado actual y evolución del manejo de la patología funcional y del suelo pélvico en los hospitales de la Comunidad de Madrid. Actas Urol Esp 2023 Apr;47(3):187-192.
14. Rubio-Pérez, I.; Díaz Lantada, A. “Surgical Planning of Sacral Nerve Stimulation Procedure in Presence of Sacral Anomalies by Using Personalized Polymeric Prototypes Obtained with Additive Manufacturing Techniques”. Polymers 2020, 12, 581.