This G-Code saved a life: A Lifetime FDM 3D Printing Challenge

The Call

July 16, 2019, Elida Hermida director of Lab3bio, a laboratory of the Universidad Nacional de San Martin, received a call.

From that moment on, we had 2 weeks to save the life of Valentino, a paediatric patient that needs to overcome respiratory arrest due to a severe and life-threatening case of bronchomalacia.

Surgeon Gaston Belia Munzón had just participated in a medical congress held in Rome, where he learned about a surgery performed in 2013 at the University of Michigan teaching hospital on a pediatric patient whose case was similar to Valentino's.

At that university, a biodegradable exoskeleton in the shape of a roll that facilitated air entry and exit had been placed in the baby's bronchus. It was the only known surgical antecedent in similar cases.

That same day, I received a call from Dr. Beatriz Araoz, researcher of this same laboratory, asking me if I still had with me and in operation one of the printers that at that time, were the latest in existence and quality, an FDM Prusa Research i3 MK2. It was brought by me on a vacation totally disassembled in a suitcase from the Czech Republic.

Immediately i joined the team.

The Challenge: $300,000 to $1,000, SLS to FDM, an extreme cost and technology difference

In the Latin American context, the initially developed technique is totally inapplicable due to the high cost of printing equipment, maintenance and repair, the free importation of parts and materials, as well as the qualified personnel for its operation and continuous functioning.

Instead of SLS (SLS EOS P 100 Formiga system) we used a commercial FDM printer from Prusa Research, model i3 MK2. The cost ratio was to lower the requirement from $300.000 to only $1.000, a brutal difference that implied to develop in record time all the modifications in the FDM printer to be able to print in the required material and also to meet all the requirements and mechanical needs of the implantable part, to make it viable and save Valentino's life.

This is a significant and cost-effective technique that makes this development applicable in developing countries where more sophisticated and expensive equipment, such as the SLS, is not accessible.

The printer's firmware was fully modified, parts were replaced with new, clean parts, and its operation and configuration had to be highly developed and engineered to be compatible with medical grade polycaprolactone filament printing. At the same time it was set up so that all its operation and control occurred within a laminar flow, which provided a clean, contamination-free space to manufacture the implantable part.

Open Access Paper: Full project and techniques made available to everyone

"Advantages of FDM and gamma irradiation to manufacture personalized medical devices for airway obstructions" was published at Frontiers. This paper sums up all the knowledge acquired combining 3D printing with biomaterials and gamma irradiation to help similar cases.

Additionally, it was published under Creative Commons Open Access to guarantee that everyone can read it, allowing this knowledge and use case of FDM be useful as a model case for other medical cases in developing countries where costs of manufacturing techniques have a life or death impact on treatments.

Also, this allows to open discussions regarding medical regulations for this type of FDM devices and procedures as a great positive impact on its accessibility and massiveness.

Open Access Paper

Frontiers | Advantages of FDM and gamma irradiation to manufacture personalized medical devices for airway obstructions

In the early childhood population, congenital airway conditions like bronchomalacia (BM) can pose a life-threatening threat. A breakthrough technology called…

FrontiersBeatriz Aráoz

Advantages of FDM and gamma irradiation to manufacture personalized medical devices for airway obstructions - PubMed

In the early childhood population, congenital airway conditions like bronchomalacia (BM) can pose a life-threatening threat. A breakthrough technology called additive manufacturing, or 3D printing, makes it feasible to create a biomedical device that aids in the treatment of airway obstruction. This …

PubMedBeatriz Aráoz

Advantages of FDM and gamma irradiation to manufacture personalized medical devices for airway obstructions | Semantic Scholar

3D-printed splints manufactured by this affordable 3D printing method successfully surpass breathing arrest in life-threatening airway obstruction in pediatric patients and represents a fundamental contribution to the treatment of the population in countries where access to expensive and complex technologies is not available. In the early childhood population, congenital airway conditions like bronchomalacia (BM) can pose a life-threatening threat. A breakthrough technology called additive manufacturing, or 3D printing, makes it feasible to create a biomedical device that aids in the treatment of airway obstruction. This article describes how a polycaprolactone (PCL) splint for the upper airways can be created using the fusion deposition technique (FDM) and sterilized using gamma radiation. It is presented as a simple, accessible, and cost-reduced alternative that complements other techniques using more expensive and sophisticated printing methods. Thermomechanical and morphological analysis proved that FDM and sterilizing by gamma irradiation are both appropriate methods for producing splints to treat life-threatening airway blockages. Additionally, the 3D-printed splints’ effectiveness in treating a young patient with BM that was life-threatening was assessed by medical professionals. In this regard, the case report of a patient with 34 months of follow-up is presented. Splints manufactured by this affordable 3D printing method successfully surpass breathing arrest in life-threatening airway obstruction in pediatric patients. The success of this procedure represents a fundamental contribution to the treatment of the population in countries where access to expensive and complex technologies is not available.

Semantic ScholarSemantic Scholar's LogoBeatriz Aráoz

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Contra reloj, investigadores argentinos fabricaron una pieza en 3D biodegradable que salvó la vida de un bebé y su técnica se exporta al mundo - RED/ACCIÓN

Valentino nació con una enfermedad congénita muy rara y a los siete meses, ante el riesgo de muerte, todo un equipo de médicos y científicos trabajaron para fabricar un exoesqueleto que fue insertado en su bronquio izquierdo. Pasaron más de cuatro años y su historia clínica explicada paso a paso fue publicada en una revista científica para que otros profesionales de cualquier lugar del planeta puedan replicar la técnica con los materiales utilizados.

RED/ACCIÓNDiana Malizia

Tiene 4 años, padece una compleja enfermedad de bronquios y científicos de una universidad le salvaron la vida

Valentino tiene una malformación congénita en la tráquea y los bronquios. Un dispositivo diseñado especialmente para él le salvó la vida.

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VALENTINO, LA HISTORIA DEL NIÑO AL QUE UN EXOESQUELETO FABRICADO EN LA UNSAM LE SALVÓ LA VIDA – Desde el Conocimiento

DEC desde el conocimiento

Contra reloj, investigadores argentinos fabricaron una pieza en 3D biodegradable que salvó la vida de un bebé y su técnica se exporta al mundo

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Diario Río NegroDiana Malizia

» Valentino, la historia del niño al que un exoesqueleto fabricado en la UNSAM le salvó la vida

<p>Un equipo del Laboratorio de Biomateriales, Biomecánica y Bioinstrumentación (Lab3Bio) de nuestra Escuela de Ciencia y Tecnología fabricó un exoesqueleto —solo había un antecedente en el mundo— que le salvó la vida a un bebé de siete meses. Hoy, Valentino tiene cuatro años y, junto con su familia y el cirujano que lo operó, visitó la Universidad para reunirse con lxs investigadorxs que diseñaron la pieza clave. “En el mundo hay gente magnífica, con un corazón tremendo y que deja todo por una persona que no conoce”, dice Lucila, mamá de Valentino.</p>

María Cecilia Sabic dice:

Valentino Sarapura, el niño argentino que fue salvado con un exoesqueleto de la Universidad Nacional de San Martín - ADN+

En 2019, el mundo fue testigo de un caso único. Un cirujano y un grupo de investigadores le salvaron la vida a un bebé de siete meses con la ayuda de un exoesqueleto fabricado en la UNSAM.

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Un exoesqueleto hecho en la Universidad de San Martín salva la vida de un niño de 4 años | AgendAR

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Valentino y la importancia de la Universidad Pública

Cuando Joaquín y Lucila descubrieron que Valentino, de apenas siete meses, tenía una malformación en su pecho, decidieron comenzar con una serie de estudios, que derivó en una operación de sling pulmonar. Pero los problemas no terminaron ahí. A los médicos les llamo la atención que el niño siguiera respirando con dificultad, y después de más estudios, el cirujano infantil Gastón Bellía Munzón les confirma el diagnóstico del bebé. “Los estudios determinaron que Valentino tenía una estenosis traqueal congénita y una broncomalacia en su bronquio izquierdo, dos afecciones graves, poco frecuentes y con riesgo de muerte”. Días después y durante un congreso médico realizado en Roma, tuvo la idea que salvaría la vida de Valentino: la colocación de un exoesqueleto de material biodegradable en su bronquio izquierdo, una operación que solo se había hecho una vez en 2013 en Estados Unidos. “Cuando volvimos a hablar por teléfono, Gastón nos contó la propuesta y cuáles eran los riesgos. Decidimos que le dábamos para adelante, era la vida de nuestro hijo”, cuenta entre lágrimas Lucila. “Antes de la cirugía decidimos sacarlo de la internación para que pudiera volver a ver un poco el sol”. Un mes después de esa comunicación telefónica, Valentino fue operado con éxito por el equipo médico del CEMIC, que le injertó el exoesqueleto fabricado por lxs investigadorxs del Laboratorio de Biomateriales, Biomecánica y Bioinstrumentación (Lab3Bio) de la Escuela de Ciencia y Tecnología (ECyT) de la UNSAM, que trabajaron a contrarreloj para generar la pieza que le salvó la vida. El único antecedente para la construcción del exoesqueleto había ocurrido en Estados Unidos, con una inversión de 300 mil dólares. Sin embargo, a los investigadoxs de la UNSAM, se les ocurrió que con una impresora de 700 dólares, y con mucho trabajo e investigación, se podría intentar salvar la vida de Valentino. Y así fue. El martes 15 de agosto de 2023, cuatro años después de la intervención, Valentino, junto con su mamá y su papá, visita por primera vez la UNSAM. Mientras camina y corre por el Campus Miguelete, cuenta que va al jardín, que practica circo y que su papá “hace casas”. En el Edificio Labocluster lo reciben emocionadxs Élida Hermida, Beatriz Araoz y Juan Ignacio Bousquet, los investigadorxs que fabricaron la pequeña pieza que le permitió seguir respirando El trabajo de la UNSAM puede verse con detalle en el paper científico publicado por el equipo del Lab3Bio titulado “Advantages of FDM and gamma irradiation to manufacture personalized medical devices for airway obstructions”, disponible para su consulta gratuita. “La filosofía con la que nosotros presentamos la publicación es la de presentar una herramienta que pueden usar otros países periféricos. Fue brindar la herramienta para que otra gente que tiene una impresora 3D lo pueda hacer, porque se hizo mucho hincapié en detallar los pasos del proceso de manufactura. Se dejó todo blanco sobre negro para que otros lo puedan hacer”, señala Élida. Por su parte, Gastón Bellía Munzón destaca el logro médico de la intervención: “Esta operación sentó un precedente. Valentino fue el comienzo y ahora ya hay 18 pacientes operados en Estados Unidos, otros 19 en China y dos más en Argentina con esta técnica”.

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