Attualità

Stampa 3D e tecnica chirurgica

Materie plastiche biocompatibili, produzione additiva, ricerca avanzata e tecnologie mediche all’avanguardia. La combinazione di questi elementi si ritrova in alcuni importanti esempi, soprattutto nel campo della medicina implantare, in Italia e all’estero.

Diritto di accesso alla medicina da parte di tutti e massima sicurezza per ogni paziente con ogni tipologia di problema di salute. Questi dovrebbero essere i due pilastri del diritto alla salute per ogni cittadino al mondo. La tecnologia di stampa 3D, assieme a diversi materiali tra cui anche le plastiche, sta in parte rivoluzionando il settore medicale, portando nuove possibilità di cura anche nei Paesi e nelle condizioni più povere. Al contempo questa stessa tecnologia permette di ridurre i costi e i tempi di realizzazione di molti dispositivi medici, innovando il settore grazie a soluzioni su misura, in taluni casi anche complesse ma, una volta implementate, facilmente modificabili e replicabili con la stampa 3D.

Tornare a respirare autonomamente

Un bambino di cinque anni è potuto tornare a respirare autonomamente grazie ad uno stent prodotto con tecnologie di manifattura additiva di Prosilas, azienda di Civitanova Marche. Il paziente è affetto da tracheobalamacia, patologia che vede il collasso della trachea con conseguenti arresti cardiopolmonari, potenzialmente letali.

Nell’ottobre del 2019, presso l’Ospedale Bambin Gesù di Roma, è stato impiantato lo stent 3D, completamente bioriassorbibile, il primo intervento di questo tipo effettuato in Europa. Il dispositivo, a differenza di quelli metallici utilizzati fino ad ora, segue la crescita del bambino, senza bisogno di essere sostituito, poiché nel giro di due anni viene riassorbito completamente dall’organismo.

La combinazione di materiali utilizzata per lo stent è composta da idrossiapatite e policaprolattone (PCL), un poliestere biocompatibile e bioriassorbibile che rimane in vivo per 2-3 anni prima del riassorbimento. Questi due materiali, sinterizzati congiuntamente nelle giuste proporzioni, permettono di produrre scaffold e stent. Il policaprolattone è alla base del progetto di ricerca scientifica in campo biomedicale della società Prosilas. E’ una plastica biocompatibile e riassorbibile dal corpo umano e consente applicazioni per la coltura di cellule staminali volte alla ricostruzione o rigenerazione di tessuti o organi. L’idrossiapatite esercita la duplice funzione di incremento della bioriassorbibilità del prodotto finito e di lubrificazione in fase di produzione e in questo caso viene usata come carica del policaprolattone.

Nel 2017 l’azienda marchigiana ricevette la prima richiesta di realizzazione di uno stent in policaprolattone da parte di un ricercatore del Bambin Gesù di Roma. Prosilas opera a livello europeo nella tecnologia di manifattura additiva SLS (Selective Laser Sintering) e SLA (Stereolitography) e comprende più di 10 sistemi di produzione additiva, un reparto di progettazione e ottimizzazione pre-processo, un’area dedicata ai trattamenti post-processo estetici e funzionali, una stazione metrologica per il controllo qualità e un’area dedicata a ricerca e sviluppo.

Grazie al lavoro di quest’ultima è stato possibile la produzione dello stent. La geometria dello stent è stata ricavata partendo dalle immagini bidimensionali della TAC, realizzate dal Dipartimento di Diagnostica per Immagini del dottor Aurelio Secinaro e rielaborate dal dottor Luca Borro, dell’Unità di Innovazioni e Percorsi clinici. La produzione è stata realizzata da Prosilas e i test di resistenza meccanica sono stati eseguiti grazie alla collaborazione dell’Università di Modena e Reggio Emilia. L’intervento è stato eseguito dal dottor Adriano Carotti, responsabile dell’Unità di Funzione di Cardiochirurgia Complessa con Tecniche Innovative, in collaborazione con chirurghi delle vie aeree del Laryngo-Tracheal Team, diretto dal dottor Sergio Bottero.

La realizzazione di questo stent attraverso la manifattura additiva, rappresenta un’ulteriore evoluzione nel mondo della stampa 3D verso il 4D, o bioprinting. La società Prosilas continua a fare ricerca in questo ambito, cercando allo stesso tempo di stimolare la comunità scientifica ad un maggior uso di questi materiali e della manifattura additiva.

Impianti neurali flessibili

Per le protesi cerebrali vengono utilizzati materiali duri come i metalli. Ma la scelta di utilizzare materiali di tale fattura può provocare dei problemi quali infiammazioni e crescita eccessiva di tessuto cicatriziale. Partendo dall’assunto che nonostante il cervello umano sia protetto da un cranio osseo, dunque duro, esso rimane un organo morbido e fragile, un team di ricercatori del MIT (Massachusetts Institute of Technology) sta sviluppando impianti neurali flessibili quali sonde neurali in 3D e dispositivi elettronici di qualità gommosa e morbida. Questi impianti neurali morbidi e flessibili, realizzati con un polimero elettricamente conduttivo, possono conformarsi al cervello e monitorare l’attività cerebrale per tempi più lunghi e potrebbero quindi essere una valida e sicura alternativa agli impianti cerebrali convenzionali e agli elettrodi a base di metallo. Questo tipo di dispositivi potrebbe anche essere messo a punto e valutato per impiego nella stimolazione di determinate aree neurali per ridurre i sintomi dell’epilessia, del morbo di Parkinson e delle depressioni più gravi.

I polimeri conduttori sono una classe di materiali che offre una combinazione unica di flessibilità “plastica” e di conduttività elettrica equivalente a quella dei metalli. Tradizionalmente questa tipologia di polimeri è utilizzata commercialmente come rivestimento antistatico di dispositivi elettronici. Studiando questa classe di materiali, il team di ingegneri del MIT si è reso conto che modificandone lo stato, passandolo dallo stato liquido a quello viscoso, avrebbero potuto utilizzarlo per realizzare impianti cerebrali stampabili con la tecnologia 3D.

Il gruppo di lavoro ha dunque trovato il modo di stampare sonde neurali in 3D, oltre ad altri dispositivi elettronici, con un polimero conduttore morbido. Il materiale è stato reso viscoso, così da poterlo estrudere con una stampante 3D e rendere il processo ripetibile. Nel loro studio, pubblicato su Nature Communications, i ricercatori spiegano di aver modificato il polimero PEDOT:PSS, usualmente fornito allo stato liquido sotto forma di inchiostro blu scuro composto da acqua e nanofibre. Il polimero poli(3,4-etilenediossitiofene) con polistirene sulfonato allo stato liquido acquisisce le sue proprietà conduttive dalle nanofibre che agiscono come una sorta di canale attraverso cui la carica elettrica fluisce. Per poter ottenere un polimero più viscoso, la parte liquida del materiale è stato disidratato ed essiccato e una volta rimossa è rimasta la matrice secca di nanofibre conduttive. Queste nanofibre da sole divengono tuttavia fragili, pertanto sono state poi rimescolate con una soluzione di acqua e solvente organico a formare un idrogel. Si è ottenuto così un materiale morbido, ‘gommoso’, a base di acqua ma con incorporate le nanofibre conduttive. Sono stati testati diversi rapporti di concentrazione di idrogel e nanofibre, ed è risultato che l’intervallo più idoneo al tipo di applicazione è tra il 5% e l’8% in peso di nanofibre. In questa concentrazione si ottiene un materiale simile in termini di consistenza alla pasta del dentifricio,  stampabile e sempre conduttivo elettricamente.

Per dimostrare la tecnica, il team ha stampato in 3D una serie di dispositivi elettronici morbidi, tra cui un elettrodo gommoso per un singolo neurone. Si è visto che questa sonda neurale è stata in grado di monitorare effettivamente l’attività del neurone. Questa piccola sonda, della dimensione di un confetto, è composta da uno strato di un polimero trasparente flessibile (PETE) su cui è stato stampato il polimero conduttivo in sottili linee parallele che convergevano verso un unico punto della misura di 10 micron di ampiezza, quanto basta per raccogliere i segnali elettrici di un singolo neurone. Tra l’altro, gli ioni – il tipo di segnale elettrico che il cervello produce – possono passare attraverso l’idrogel, essendo questo a base acquosa, e raggiungere le nanofibre che hanno una consistenza spugnosa. L’intero volume dell’elettrodo risulta attivo, per cui la sensibilità è potenziata. Basti pensare che con gli impianti metallici, invece, gli ioni devono essere convertiti in elettroni per poter essere letti e questa fase di conversione può causare la perdita di alcuni segnali.

Oltre alla sonda neurale, il team di ingegneri del MIT ha prodotto anche dei circuiti multielettrodo in plastica, della misura di un Post-it, stampati con elettrodi molto sottili su cui i ricercatori hanno poi stampato delle capsule tonde in plastica che possono essere utilizzate per la coltura dei neuroni e lo studio della loro attività attraverso i segnali che vengono raccolti dagli elettrodi sottostanti. Anche in questo caso si è utilizzata la stampa 3D anziché le tecniche di litografia tradizionalmente impiegate per la realizzazione di questi dispositivi. La stampa 3D ha infatti permesso di ridurre il tempo di realizzazione di uno di questi dispositivi a meno di un’ora.

Il team di ricercatori del MIT si augura che si possa utilizzare questa tecnologia sempre più spesso, proprio perché assicura tempi minimi di realizzazione di diverse tipologie di dispositivi come le interfacce neurali e permette l’impiego di materiali morbidi ma pur sempre efficaci in termini di conduttività.

Protesi per arti

L’uso della stampa 3D per realizzare protesi si applica anche al campo degli arti artificiali. In questo ambito la tecnologia 3D rende accessibile in termini di costi e di realizzazione protesi semplici anche a chi non potrebbe altrimenti permetterseli o a coloro che, come i bambini, hanno bisogno di arti di dimensioni diverse nel corso degli anni. Al contempo, però, la stampa 3D può aiutare a realizzare anche arti più complessi perché l’iter di progettazione e di messa a punto ed eventuali modifiche avviene in tempi più rapidi e perché i costi sono comunque abbattuti. Così oltre a parlare di arti protesici, si parla oggi anche di arti bionici. La start-up inglese Open Bionics ha nel tempo seguito questo percorso, per cui oggi offre arti artificiali di entrambe le tipologie. L’ultima sua versione più moderna è la protesi bionica Metal Gear Solid per la sua serie Hero Arm.

Il braccio Hero di Open Bionics è accessibile in termini economici e si contraddistingue per funzionalità multi-grip, un’estetica notevole e la leggerezza. Le protesi della serie Hero Arm sono disponibili dagli Stati Uniti all’Europa alla Nuova Zelanda e all’Australia e sono dedicate ad adulti e ai bambini a partire dagli 8 anni, con amputazioni sotto il gomito.

La realizzazione di un arto Hero Arm inizia con la scansione 3D dell’arto e prosegue poi con la Sinterizzazione Selettiva con Laser (SLS) in poliammide 12. Questo materiale ha una resistenza alla trazione di 48 Mpa e assicura così robustezza unitamente a leggerezza (l’intera protesi pesa meno di un kg). I tendini della mano sono invece realizzati con fibre altamente resistenti. La protesi risulta  comoda, regolabile e traspirante, di facile indossabilità ed esteticamente piacevole ed è personalizzabile sui motivi di interesse del paziente. Open Bionics propone ora in collaborazione con Konami Digital Entertainment un braccio bionico denominato Metal Gear Solid ‘Venom Snake’, per coloro che sono amputati sotto il gomito. Questo modello, che si ispira nel design al braccio bionico del personaggio Venom Snake, il protagonista di “Metal Gear Solid V: The Phantom Pain”, presenta una serie di funzionalità come i sensori speciali in grado di rilevare i movimenti muscolari per consentire agli utenti di controllare senza sforzo la loro mano bionica con una precisione realistica intuitiva, mentre le vibrazioni tattili, i segnali acustici, i pulsanti e le luci forniscono notifiche intuitive per il paziente.

 

a cura di Valeria Mazzucato