Les modèles spécifiques au patient améliorent la confiance du chirurgien et des collègues lors de l’élaboration ou de l’apprentissage de plans chirurgicaux. Les imprimantes tridimensionnelles (3D) génèrent suffisamment de détails pour la préparation chirurgicale, mais ne parviennent pas à reproduire la fidélité haptique des tissus. Un protocole est présenté détaillant la création de modèles cardiaques en silicone spécifiques au patient, combinant la précision de l’impression 3D avec un tissu en silicone simulé.
Les modèles tridimensionnels peuvent être un outil précieux pour les chirurgiens lorsqu’ils élaborent des plans chirurgicaux et les boursiers médicaux lorsqu’ils découvrent des cas complexes. En particulier, les modèles 3D peuvent jouer un rôle important dans le domaine de la cardiologie, où se produisent des cardiopathies congénitales complexes. Alors que de nombreuses imprimantes 3D peuvent fournir des modèles anatomiquement corrects et détaillés, les matériaux d’impression 3D existants ne parviennent pas à reproduire les propriétés du tissu myocardique et peuvent être extrêmement coûteux. Ce protocole vise à développer un processus de création de modèles spécifiques au patient de malformations cardiaques congénitales complexes à l’aide d’un silicone à faible coût qui correspond plus étroitement aux propriétés du muscle cardiaque. Avec une meilleure fidélité du modèle, une formation procédurale chirurgicale réelle pourrait avoir lieu avant la procédure. La création réussie de modèles cardiaques commence par la segmentation d’images radiologiques pour générer un pool sanguin virtuel (sang qui remplit les cavités du cœur) et une moisissure du tissu myocardique. La mare sanguine et la moisissure myocardique sont imprimées en 3D dans de l’acrylonitrile butadiène styrène (ABS), un plastique soluble dans l’acétone. Le moule est assemblé autour de la mare de sang, créant un espace négatif simulant le myocarde. Le silicone avec une dureté shore de 2A est versé dans l’espace négatif et laissé durcir. La moisissure myocardique est enlevée et le modèle de pool de silicone / sang restant est immergé dans l’acétone. Le processus décrit aboutit à un modèle physique dans lequel toutes les caractéristiques cardiaques, y compris les anomalies intra-cardiaques, sont représentées avec des propriétés tissulaires plus réalistes et sont plus proches qu’une approche d’impression 3D directe. La correction chirurgicale réussie d’un modèle présentant une anomalie septale ventriculaire (VSD) à l’aide d’un patch GORE-TEX (intervention chirurgicale standard pour défaut) démontre l’utilité de la méthode.
Près de 1 enfant sur 100 aux États-Unis naît avec des malformations cardiaques congénitales (CHD). En raison de la propension des mères atteintes de coronaropathie à avoir des enfants atteints de coronaropathie, on s’attend à ce que le taux puisse plus que doubler au cours des sept prochaines générations1. Bien que chaque coronaropathie ne soit pas considérée comme complexe ou grave, les attentes générales de croissance indiquent qu’il existe une motivation pour améliorer la technologie et les procédures capables de traiter le traitement des maladies coronariennes. À mesure que la technologie s’améliore, les chirurgiens cardiaques expriment souvent leur volonté de s’attaquer à des procédures plus complexes. Cette volonté a conduit à un nombre accru de procédures cardiaques complexes, entraînant le besoin de techniques plus avancées de planification chirurgicale et d’éducation. À son tour, cela laisse les chirurgiens cardiaques dans le besoin de modèles très précis et spécifiques au patient et les boursiers en chirurgie cardiaque ont besoin de méthodes de formation très efficaces.
La chirurgie cardiaque congénitale est l’une des disciplines chirurgicales les plus exigeantes sur le plan technique en raison de la petite taille des patients, de la complexité des anomalies cardiaques et de la rareté de certaines anomalies2. Dans les cas les plus extrêmes, un enfant peut naître avec un seul ventricule. Il n’est pas rare que le chirurgien prenne un vaisseau de 2,0 mm de diamètre et le patche avec un péricarde fixe pour créer un vaisseau de 1,0 cm permettant à un nouveau-né de grandir dans cette procédure vitale – tout en étant sous l’horloge, car le nouveau-né est en arrêt circulatoire complet. Entre le cœur normal à quatre chambres et ces exemples extrêmes, il existe d’innombrables possibilités de taille de chambre et de positions de valve qui constituent des puzzles 3D très complexes. Le rôle de l’équipe cardiaque congénitale est de délimiter clairement l’anatomie unique et d’élaborer un plan pour reconfigurer le tissu organique en un cœur fonctionnel qui permettra à un enfant de grandir avec les meilleures chances d’avoir une vie normale. Des modèles précis permettent une pratique chirurgicale délibérée et la répétition dans un environnement où les erreurs peuvent être pardonnées et n’entraîneront pas de préjudice pour le patient3,4. Cette formation mène au développement d’une expertise chirurgicale améliorée, ainsi que de compétences techniques et de jugement. Cependant, les ressources limitées et la rareté de certaines affections cardiaques peuvent rendre presque impossible l’atteinte du niveau souhaité de répétition et de visualisation. Pour aider à remédier à cette pénurie de ressources, il y a eu une augmentation de l’utilisation des simulations pour l’éducation2,3. Les techniques de simulation ou de modélisation couramment utilisées comprennent les cadavres humains, les tissus animaux, les modèles de réalité virtuelle (RV) et les modèles imprimés en 3D.
Le tissu cadavérique a toujours été considéré comme l’étalon-or de la simulation chirurgicale, le tissu animal arrivant en deuxième position. Les cadavres et les tissus animaux peuvent produire des simulations haute fidélité car ils contiennent la structure anatomique d’intérêt, tous les tissus environnants, et permettent des techniques de perfusion pour simuler le flux sanguin4. Malgré les avantages des modèles tissulaires, il y a des inconvénients. Les tissus embaumés subissent une conformité mécanique réduite, ce qui rend certaines opérations irréalistes et difficiles à effectuer. Les tissus nécessitent un entretien constant, des installations spécifiques, ne sont pas réutilisables2, peuvent être coûteux à obtenir3 et ont toujours fait l’objet de préoccupations éthiques. Plus important encore, les affections cardiaques congénitales ne sont tout simplement pas disponibles dans les échantillons cadavériques.
La RV et les modèles imprimés en 3D5,6,7,8,9,10 offrent une autre option pour l’éducation cardiaque, la simulation et la modélisation afin de faciliter la création de plans préopératoires. Ces modèles réduisent l’ambiguïté associée à la capacité visuo-spatiale variée d’un utilisateur à interpoler des images 2D en tant que structure 3D10,11. L’environnement virtuel peut contenir des outils chirurgicaux qui peuvent être manipulés et interagir avec des modèles, ce qui permet aux chirurgiens et aux collègues de développer la coordination œil-main, la motricité fine et la familiarité avec certaines procédures4. Les technologies d’impression 3D populaires actuelles, notamment la modélisation par dépôt fondu (FDM), la stéréolithographie (SLA), le frittage sélectif au laser (SLS) et le polyjet, ont été trouvées pour produire des modèles avec une précision submillimétrique13. Les modèles imprimés en RV et en 3D sont réutilisables et peuvent être extrêmement détaillés; les modèles peuvent même être générés à partir des données d’imagerie radiologique du patient, ce qui donne des répliques de l’anatomie du patient. Malgré les nombreux avantages d’une RV ou de modèles imprimés en 3D, ils ne sont pas à la hauteur lorsque le coût et les exigences de fidélité haptique de la chirurgie cardiaque congénitale sont pris en compte. La configuration d’un environnement VR a un coût élevé, et les environnements VR ne peuvent pas fournir de retour haptique réel. Alors que la technologie de fidélité haptique s’améliore, l’écart actuel empêche l’élève de se familiariser avec la motricité fine nécessaire pour effectuer des procédures4. De même, selon le type de technologie d’impression 3D utilisée, le coût de l’impression 3D peut être assez élevé, car le prix d’achat de l’imprimante et le coût du matériel d’impression doivent être pris en compte11,14. Un seul modèle cardiaque haute fidélité avec un retour haptique réaliste peut être produit à l’aide d’une imprimante haut de gamme, mais coûtera des centaines de dollars en matériau seul avec un prix d’achat de l’imprimante supérieur à 100 000 USD15. Un modèle cardiaque produit à l’aide d’un filament d’une dureté shore de 26-28 A a coûté environ 220 USD par modèle16. Alternativement, de nombreuses imprimantes et technologies 3D à faible coût sont disponibles qui ont un prix d’achat d’imprimante inférieur à 5 000 USD. Les prix moyens des matériaux pour un modèle cardiaque généré sur une imprimante FDM à faible coût se sont avérés être d’environ 3,80 USD en utilisant un matériau d’une dureté shore de 82 A et 35 USD en utilisant un matériau avec une dureté shore de 95 A15,16. Bien que ces machines offrent une solution à faible coût, cela se fait au prix d’une fidélité haptique.
Alors que la RV et l’impression 3D peuvent permettre une évaluation visuelle et conceptuelle détaillée d’une maladie cardiaque, le prix élevé associé à la production d’un modèle pour la simulation chirurgicale pratique est souvent un obstacle important. Une solution est l’utilisation de silicone pour créer un modèle cardiaque physiquement et texturalement précis. Les modèles en silicone spécifiques au patient peuvent faciliter une compréhension plus approfondie de l’anatomie unique en permettant aux chirurgiens de voir, de sentir et même de pratiquer une procédure tout en faisant l’expérience d’un retour haptique réaliste dans un environnement qui implique un risque minimal pour un patient et n’a aucune conséquence si la procédure échoue9. Le moulage en silicone s’est avéré être une méthode efficace pour modéliser l’anatomie humaine qui produit des modèles avec des propriétés physiques qui sont significativement plus proches des tissus réels que les modèles générés par l’impression 3D à faible coût17. Scanlan et al., ont comparé les propriétés de l’impression 3D à faible coût à des valves cardiaques moulées en silicone pour évaluer la similitude avec les tissus réels; l’étude a révélé que si les propriétés physiques des valves en silicone n’étaient pas une réplique exacte du tissu réel, les propriétés étaient de loin supérieures aux valves imprimées en 3D17. Le matériau d’impression 3D utilisé dans l’étude est parmi les matériaux les plus doux disponibles pour les imprimantes 3D à faible coût et possède une dureté shore comprise entre 26 et 28 A18. Le silicone de durcissement au platine recommandé pour une utilisation dans le protocole ci-dessous a une dureté shore de 2 A qui est beaucoup plus proche de la dureté shore du tissu cardiaque, 43 sur l’échelle 00, soit environ 0 A19,20. Cette différence est significative car les modèles en silicone permettent un entraînement haute fidélité à la motricité fine que les matériaux directement imprimés en 3D n’atteignent pas. Le coût total des matériaux pour le modèle proposé dans ce protocole est inférieur à 10 USD. Les modèles en silicone proposés combinent les propriétés des tissus mous nécessaires à un retour haptique réaliste avec la polyvalence et la précision des modèles imprimés en 3D à faible coût.
Alors que les avantages du silicone peuvent sembler en faire le choix évident pour la création de modèles, l’utilisation du silicone a été limitée par l’anatomie qui peut être moulée. Le silicone fraîchement mélangé est un liquide qui nécessite un moule pour le maintenir dans la forme souhaitée pendant qu’il durcit. Historiquement, les moules cardiaques en silicone ne pouvaient contenir que des détails de la surface extérieure du modèle. Les détails intra-cardiaques, y compris toute la région du pool sanguin, seraient remplis de silicone et perdus. Des études antérieures ont permis d’obtenir des modèles en silicone de zones d’intérêt spécifiques dans le cœur (par exemple, la racine aortique21) ou ont utilisé une méthode extrapolatoire pour simuler le tissu myocardique22. Ce protocole est nouveau car il cherche à combiner l’utilisation de silicone avec une simulation anatomique complète du myocarde à haute résolution, évitant spécifiquement toute méthode d’extrapolation. À notre connaissance, aucun manuscrit descriptif n’a fourni de méthodologie combinant ces aspects. La méthode décrite dans ce protocole introduit une technique permettant d’obtenir un modèle cardiaque spécifique au patient avec une réplication anatomique intra-cardiaque suffisamment précise pour la pratique chirurgicale préopératoire. La méthode implique la création d’un moule myocardique pour maintenir le silicone dans la forme appropriée pendant qu’il durcit et d’un moule interne pour préserver les détails internes intra-cardiaques du modèle et empêcher le silicone de remplir la région de la piscine sanguine du cœur. Le moule interne doit ensuite être dissous, laissant un modèle cardiaque en silicone entier avec une anatomie spécifique au patient sur les surfaces extérieures et internes. Sans le protocole proposé de création de modèles cardiaques dans le présent document, il n’existe aucune solution à faible coût pour simuler l’intervention chirurgicale avec un matériau qui imite les caractéristiques tissulaires réelles du myocarde.
Une fois le protocole terminé, un modèle cardiaque en silicone spécifique au patient pour la préparation chirurgicale devrait en résulter. Cependant, plusieurs étapes critiques doivent être accomplies correctement pour que cela soit réalisé. Un résumé des étapes critiques du protocole peut être vu dans le dossier supplémentaire 2, ainsi que les résultats potentiels si les étapes ne sont pas effectuées correctement. La première étape critique consiste à segmenter les données d’imagerie radiologique du patient. Cette étape nécessite l’acquisition d’un jeu de données d’imagerie 3D diagnostique. L’utilité du modèle dans la planification ou l’éducation pré-chirurgicale dépend de la qualité de l’ensemble de données 3D. Il est recommandé d’utiliser un ensemble d’images collectées avec une taille de tranche comprise entre 0,625 mm et 2,6 mm pour s’assurer que l’ensemble de données sera d’une résolution adéquate pour la production de modèles. Cependant, tous les paramètres d’imagerie doivent être définis par un clinicien expert en radiologie, les soins aux patients étant la priorité. Il convient de noter qu’il peut être possible de produire un modèle à partir d’un ensemble d’images collectées avec une taille de tranche en dehors des valeurs recommandées, mais la résolution et la qualité du modèle seront affectées négativement. Une fois les images obtenues, si la segmentation n’est pas effectuée correctement, elle n’est généralement pas réalisée tant que le modèle final n’est pas produit et découpé, ce qui entraîne une perte de temps et de matériaux. Pour éviter ce résultat négatif, il est recommandé qu’un expert en la matière examine les fichiers segmentés avant de créer les moules numériques pour le contrôle de la qualité. L’étape critique suivante se produit lors de la création des moules numériques. Il est important de s’assurer que le cas myocardique pourra être assemblé autour du modèle de pool sanguin. Si le boîtier ne se ferme pas autour de la mare de sang, il ne peut pas être utilisé pour créer le modèle en silicone car le silicone non réglé fuira continuellement et l’anatomie pourrait être déformée. Un outil de ponçage rotatif portatif peut être utilisé pour enlever légèrement des morceaux du moule myocardique uniquement si de petits ajustements sont nécessaires. Si de grands ajustements sont nécessaires, le moule numérique devra être modifié et un boîtier mis à jour imprimé. La dernière étape critique est le coulage du silicone. Le strict respect des instructions relatives aux matériaux est nécessaire lors de l’utilisation du silicone, car ne pas le faire peut entraîner un silicone qui durcit avec une surface collante. Si la surface est jugée trop collante pour être utilisée par la PME, il peut être nécessaire de réimprimer la masse de sang si elle ne peut pas être retirée avec succès du silicone. Le silicone devra être reversé, ce qui entraînera une perte de temps et de matériaux. Si le silicone est utilisé en quantité insuffisante ou si le silicone s’échappe du moule du boîtier myocardique pendant le processus de réglage, le modèle résultant sera incomplet. Cette défaillance peut être corrigée en mélangeant et en versant du silicone supplémentaire dans le moule. Un matériau tel que la colle chaude ou l’argile peut être utilisé pour sceller les coutures du moule du boîtier myocardique si une petite quantité de silicone semble s’échapper pendant le processus de durcissement.
Cette méthode de création de modèles cardiaques en silicone spécifiques au patient peut être modifiée pour permettre la création d’un modèle de toute structure anatomique molle avec une géométrie interne et externe spécifique au patient ou complexe. En supposant que l’anatomie cible est segmentée correctement, les étapes restantes du protocole pourraient être suivies avec un minimum de changement. Bien que ce ne soit pas l’objet des travaux actuels, le protocole a été appliqué au parenchyme hépatique avec un succès similaire. Le matériel d’impression 3D utilisé peut également être modifié. L’ABS et le PLA sont recommandés pour une utilisation en raison de leur faible coût, mais tout matériau d’impression 3D soluble peut remplacer l’ABS, et tout matériau d’impression 3D souhaitable peut remplacer le PLA avec un minimum ou pas de modification du protocole. Tous les paramètres d’impression spécifiés par le fabricant du filament doivent être respectés lors de l’utilisation d’autres matériaux d’impression. Cette méthode peut encore être modifiée par l’utilisation d’un silicone différent. Le silicone recommandé pour une utilisation dans ce protocole a une dureté shore de 2 A, mais si une autre valeur de dureté shore est souhaitable, un silicone différent peut être substitué avec un minimum ou pas de modification du protocole. Assurez-vous de respecter toutes les spécifications et procédures de fabrication lorsque vous utilisez un autre produit en silicone.
Bien que ce protocole décrive une procédure de modélisation cardiaque améliorée, il n’est pas sans limites. La principale limite de ce protocole est que, bien que le silicone de durcissement au platine utilisé soit plus proche de la dureté du tissu cardiaque que d’autres matériaux disponibles, la dureté n’est pas la seule propriété qui joue un rôle dans la motricité fine de l’entraînement chirurgical. En particulier, le tissu cardiaque réel démontrera la friabilité ou la déchirure sous la force. Le silicone utilisé est très élastique, avec un allongement à la rupture de 763% et une résistance à la traction de 1 986 kPa19. Le tissu cardiaque porcin, qui est considéré comme une représentation précise du tissu cardiaque humain, a un allongement à la rupture de 28-66% et une résistance à la traction de 40-59 kPa26. Cette différence pose un problème, car les boursiers en chirurgie cardiaque peuvent effectuer une opération de pratique sur un cœur modèle en silicone et acquérir un faux sentiment de confiance parce que le modèle peut résister à des forces que le vrai tissu cardiaque ne peut pas. Cette méthodologie a également le potentiel d’être limitée par un modèle cardiaque à géométrie très complexe. Au fur et à mesure que la complexité anatomique du modèle augmente, le protocole peut compenser en augmentant le nombre de pièces dans la moisissure myocardique. Essentiellement, les modèles de plus en plus complexes nécessiteront des conceptions de moules de plus en plus complexes et un temps de conception accru.
Le processus de création de modèle décrit dans ce protocole est supérieur à de nombreuses autres alternatives disponibles en raison de sa capacité à recréer des répliques anatomiques exactes à faible coût de l’anatomie rencontrée chirurgicalement. Les tissus cadavériques et animaux permettent des simulations haute fidélité, mais ils ont un coût beaucoup plus élevé et nécessitent des installations de laboratoire spécifiques pour être utilisés et entretenus.2,6. De plus, les modèles de tissus cadavériques et animaux ont des préoccupations éthiques, ne sont pas spécifiques au patient, et les maladies coronariennes complexes doivent souvent être fabriquées manuellement par un chirurgien ou un instructeur, ce qui entraîne souvent des inexactitudes ou des dommages aux tissus et organes environnants. Une autre technique de modélisation potentielle implique l’utilisation de la réalité virtuelle. La réalité virtuelle permet la réplication numérique de modèles cardiaques spécifiques au patient, ce qui est un outil efficace pour établir des représentations mentales précises de l’anatomie du patient et des plans chirurgicaux. De plus, certains systèmes de RV ont permis des simulations de base avec l’incorporation d’un retour haptique. Cependant, la rétroaction haptique disponible manque du réalisme nécessaire pour reproduire les habiletés motrices fines nécessaires pour les interventions chirurgicales cardiaques congénitales.4. L’impression 3D est une autre méthode disponible pour produire des modèles cardiaques spécifiques au patient2,24. Cependant, la mise en œuvre généralisée d’imprimantes 3D haute fidélité capables de produire des modèles souples multi-matériaux est inhibée par leur coût extrêmement élevé.11,14,15. Des imprimantes 3D à faible coût sont disponibles, mais ne peuvent imprimer que dans des matériaux beaucoup plus fermes que le myocarde réel. Lorsque l’un des matériaux les plus souples disponibles pour une imprimante 3D a été utilisé pour créer un modèle par Scanlan et al., le modèle s’est avéré plus ferme que le tissu cardiaque réel17. Le matériau décrit avait une dureté shore comprise entre 26 A et 28 A, ce qui lui donnait une texture similaire à un élastique. Le silicone durci au platine utilisé dans ce protocole a une dureté shore de 2 A, ce qui lui donne une texture similaire à un insert de chaussure en gel et beaucoup plus proche de la dureté des tissus cardiaques réels, qui est de 43 0020 ou ~0 A. Hoashi et al. a également utilisé une méthode similaire à celle décrite dans ce protocole pour développer un modèle cardiaque flexible imprimé en 3D. Deux moules, représentant la géométrie interne et externe du myocarde, ont été imprimés en 3D à l’aide d’une imprimante SLA suivie d’une coulée sous vide d’une résine de polyuréthane semblable à du caoutchouc. Bien que cette méthode ait produit un modèle cardiaque mou, le coût de production proposé de cette méthode par modèle était de 2 000 à 3 000 USD.22. Comparativement, le coût total des matériaux de la méthode décrite dans le protocole présenté est inférieur à 10 USD. Enfin, une méthode similaire a également été utilisée par Russo et al.. créer des modèles en silicone de la valve aortique et de l’aorte proximale pour la pratique procédurale. Alors que les Russo et al. est axée sur un objectif similaire, leur processus présenté visant à reproduire des anatomies beaucoup plus simples de l’aorte ou des valves aortiques. Le protocole présenté ici se différencie en se concentrant sur les anatomies intra-cardiaques et myocardiques qui sont plus petites, plus complexes et seraient extrêmement difficiles à reproduire compte tenu des méthodologies historiques. Malgré cette différence, les modèles créés par Russo et al. ont été très utiles pour la simulation et la formation en chirurgie cardiaque par les chirurgiens cardiaques interrogés23. Essentiellement, la méthode décrite dans ce protocole permet la création à faible coût de modèles cardiaques congénitaux complexes et spécifiques au patient avec des défauts représentés avec précision et des propriétés matérielles plus similaires au tissu cardiaque réel que d’autres méthodes de modélisation1,16, permettant d’utiliser les modèles avec une fidélité haptique réaliste.
À l’avenir, cette méthodologie pourrait être appliquée à la formation d’un modèle de toute anatomie de patient présentant des caractéristiques internes et externes complexes. Le développement d’un matériau de pool sanguin alternatif qui pourrait être retiré de l’intérieur du modèle en silicone d’une manière moins destructrice ou produit à l’aide d’une méthode moins longue rendrait le processus plus rapide et rentable. En conséquence, un nouveau pool de sang n’aurait pas à être reproduit pour chaque processus de moulage ultérieur, ce qui entraînerait l’évolutivité de la formation associée. Les propriétés physiques du silicone utilisé pour créer le modèle pourraient également être améliorées. Le silicone avec moins d’allongement à la rupture augmenterait le réalisme du modèle et aiderait à améliorer sa valeur en tant qu’outil éducatif pour les boursiers en chirurgie cardiaque qui tentent d’apprendre la motricité fine nécessaire pour effectuer ces procédures complexes. Un groupe de matériaux actuellement sur le marché dignes de considération pour aider à cette solution sont les matériaux en verre simulés en silicone25. Ces matériaux en silicone présentent beaucoup moins d’allongement à la rupture, ce qui entraîne un « éclatement » distinct lors de l’application de la force d’une manière similaire au verre. La modulation du silicone durci au platine utilisé dans ce protocole avec l’ajout de ce matériau en verre simulé en silicone peut permettre de contrôler les caractéristiques de friabilité du modèle tout en maintenant la dureté shore appropriée, améliorant ainsi la fidélité haptique globale. Enfin, la résolution d’anatomie que ce protocole peut produire est limitée par la résolution de l’imprimante 3D utilisée pour générer les moules. Au fur et à mesure que la technologie continue de s’améliorer, la résolution de l’anatomie qui peut être créée avec ce protocole devrait également s’améliorer.
The authors have nothing to disclose.
Les auteurs tiennent à remercier OSF HealthCare d’avoir rendu cette étude possible, ainsi que le Dr Mark Plunkett pour ses connaissances procédurales et l’application de ses compétences à notre produit final.
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