La stampa 3D al servizio della medicina

Con l’obiettivo di sfruttare i recenti progressi delle tecnologie di stampa 3D in ambito biomedicale per fornire ai pazienti pediatrici trattamenti personalizzati che siano efficaci in termini di costi e migliorino la qualità dell’assistenza, è nato nel 2016 il Laboratorio T3Ddy (Personalized pediatrics by inTegrating 3D aDvanced technologY). T3Ddy è un laboratorio congiunto tra l’Ospedale Pediatrico Meyer di Firenze e il Dipartimento di Ingegneria Industriale dell’Università di Firenze (DIEF) e ha come obiettivo l’introduzione di tecnologie 3D altamente innovative nella pratica clinica dell’ospedale.

di Monica Carfagni, Francesco Buonamici, Elisa Mussi

L’introduzione delle tecnologie di fabbricazione additiva in contesti produttivi di stampo più tradizionale è un fenomeno radicato, iniziato già negli anni ‘80 con la nascita e lo sviluppo delle prime tecnologie basate sulla addizione di materiale (SLS, FDM).
La fabbricazione additiva è difatti ormai divenuta uno degli strumenti indispensabili sia per la produzione industriale di quei prodotti che presentano una geometria complessa, altrimenti non ottenibile mediante metodi di manifattura tradizionale, sia per ottimizzare da un punto di vista topologico le prestazioni di componenti o sistemi per i quali è possibile ridurre complessità e peso mantenendo inalterate le proprietà di resistenza meccanica.
Negli ultimi anni, grazie allo sviluppo di macchine sempre più efficienti in grado di processare diversi materiali e al graduale abbattimento dei costi dei dispositivi, la stampa 3D è riuscita ad integrarsi, e influenzare, i più svariati campi applicativi della società quali educazione, architettura, design e medicina.
In ambito biomedicale, nello specifico, si è saputo sfruttare in modo particolare le caratteristiche e i punti di forza della produzione additiva quali la possibilità di realizzare oggetti caratterizzati da una geometria complessa adattabile alla fisionomia dei pazienti, la disponibilità di un vasto range di materiali con proprietà meccaniche appropriate e la capacità produttiva adeguata al fabbisogno, tutti fattori che hanno favorito un considerevole impiego delle tecnologie di stampa 3D in ambito medico per molteplici applicazioni: ingegneria tissutale, medicina rigenerativa, chirurgia, simulazione.
Con l’obiettivo di sfruttare i recenti progressi delle tecnologie di stampa 3D per fornire ai pazienti pediatrici trattamenti personalizzati che siano efficaci in termini di costi e migliorino la qualità dell’assistenza, è nato nel 2016 il Laboratorio T3Ddy (Personalized pediatrics by inTegrating 3D aDvanced technologY).
T3Ddy è un laboratorio congiunto tra l’Ospedale Pediatrico Meyer di Firenze e il Dipartimento di Ingegneria Industriale dell’Università di Firenze (DIEF) ed ha come missione proprio quella di generare innovazione in ambito medico attraverso l’introduzione di tecnologie 3D che possano portare all’aumento della qualità del trattamento offerto ai pazienti, allo sviluppo di nuove terapie e a una migliore formazione del personale medico.
Sin dagli esordi, T3Ddy interviene su quattro aree principali:

• studio e realizzazione di dispositivi medici personalizzati;
• attrezzature per la simulazione di interventi chirurgici;
• formazione del personale medico;
• strumentazione chirurgica.

Dispositivi medici personalizzati

La realizzazione di dispositivi medici personalizzati sull’anatomia del paziente consente di aumentare la qualità delle cure offerte calibrando ogni trattamento sulle esigenze specifiche del paziente ed aumentando così l’efficacia e l’ergonomia del dispositivo. La realizzazione di dispositivi personalizzati diventa, inoltre, fondamentale nel caso di anatomie non fisiologiche, in cui l’applicabilità di un trattamento convenzionale potrebbe risultare difficile o addirittura impossibile.
Il processo di realizzazione di un dispositivo medico personalizzato inizia con l’acquisizione tridimensionale delle parti anatomiche di interesse mediante Medical Imaging e/o scanner 3D. Mediante l’impiego di tecniche di Reverse Engineering e modellazione geometrica i dati tridimensionali acquisiti sono utilizzati per elaborare un modello digitale altamente fedele all’anatomia del paziente. I modelli digitali sono infine impiegati per lo sviluppo dei dispositivi medici tramite stampa 3D, talvolta combinata con tecniche di manifattura tradizionale.
In questo contesto, T3Ddy porta avanti da anni un progetto che ha come obiettivo la realizzazione di tutori ortopedici fabbricati attraverso stampa 3D FDM che si propongono come alternativa leggera e confortevole al tradizionale gesso impiegato per l’immobilizzazione di arti infortunati. A questo proposito, è stato sviluppato un sistema composto da:
1- uno scanner 3D dedicato all’acquisizione del distretto braccio-avambraccio-polso, capace di acquisire l’intera anatomia in meno di un secondo;
2- un software automatico per la creazione, tramite una procedura CAD sviluppata dal laboratorio stesso, di un modello digitale del tutore che risponde alle esigenze mediche individuate;
3- la fabbricazione in ABS del tutore attraverso una stampante 3D FDM, garantendo le caratteristiche di rigidezza e solidità richieste al dispositivo. L’intero processo è visualizzato in Figura 1.

Il sistema sviluppato è stato ampiamente testato, con grande successo, in una sperimentazione clinica svolta su pazienti pediatrici del Meyer ed è ad oggi pronto ad essere ulteriormente implementato perché diventi prassi per il trattamento pediatrico. Un’ulteriore importante attività svolta in quest’ambito è lo sviluppo di dispositivi personalizzati impiantabili. In particolare, T3Ddy ha sviluppato una procedura che permettesse, nell’ambito della chirurgia cranioplastica, il raggiungimento di un efficace ripristino della forma estetica della volta cranica atta a garantire un risultato adeguato in termini di benefici sociali e psicologici per il paziente.
L’approccio sviluppato utilizza i dati della TAC/MRI per ricostruire, in una fase pre-operatoria, l’anatomia 3D del cranio difettoso al fine di progettare una protesi specifica per il paziente. Mediante l’impiego di una nuova procedura ibrida semiautomatica per la riparazione di difetti cranici unilaterali o quasi unilaterali (cioè un singolo difetto che passa leggermente oltre il piano sagittale), T3Ddy ha coadiuvato i neurochirurghi del Meyer nella realizzazione di placche craniche altamente performanti e nell’esecuzione di complessi interventi con riduzione di tempi e costi e con migliore outcome per il paziente (Figura 2).

Simulazione di interventi chirurgici

Gli strumenti per la simulazione trovano applicazione clinica nella pianificazione preoperatoria che rappresenta una fase cruciale in casi patologici particolarmente complessi. In quest’ambito la stampa 3D consente di realizzare repliche fisiche che riproducono in maniera accurata l’anatomia specifica del paziente, consentendo al chirurgo di apprezzare e manipolare la tridimensionalità dell’anatomia e della patologia prima dell’intervento. In questo modo il medico può studiare e testare la migliore strategia d’intervento prima di entrare in sala operatoria, individuando ad esempio vie d’accesso non convenzionali e garantendo una mini invasività dell’intervento chirurgico. Simulatori preoperatori sono stati sviluppati da T3Ddy, grazie alla collaborazione con neurochirurghi, per l’asportazione di masse tumorali (Figura 3).

Il processo di realizzazione di un simulatore preoperatorio (Figura 4) inizia con l’acquisizione dell’anatomia attraverso tecniche di imaging diagnostico. Per isolare la regione d’interesse vengono utilizzati software di segmentazione che consentono la ricostruzione tridimensionale virtuale. Tecnologie di stampa 3D garantiscono infine il passaggio dal modello digitale a quello fisico che viene fornito al neurochirurgo per la simulazione fisica preoperatoria.

T3Ddy ha anche realizzato simulatori preoperatori per l’intervento di ricostruzione auricolare con tessuto cartilagineo in caso di microtia (assenza dell’orecchio esterno). L’intervento, eseguito a partire dal prelievo di cartilagine dalle coste del paziente, costituisce una sfida per i chirurghi plastici che devono ricostruire con la cartilagine la geometria complessa dell’orecchio sfruttando le proprie abilità “artistiche”. Una simulazione dell’intervento consente di migliorare i risultati, minimizzando il prelievo di tessuto cartilagineo. A questo scopo a partire delle immagini TC del paziente viene realizzata una replica delle cartilagini tramite processo di realizzazione dello stampo con tecniche di produzione additiva e successivo colaggio di materiale siliconico (Figura 5).

Il chirurgo in questo modo può simulare l’intervento di ricostruzione dell’orecchio osservando il risultato estetico in fase preoperatoria (Figura 6).

Formazione

In ambito medico, quando si parla di simulazione a scopo formativo si fa riferimento a manichini o task trainers su cui medici, infermieri e specializzandi possono apprendere procedure diagnostiche, terapeutiche o chirurgiche tramite performance ripetitive. L’adozione di tale modello educativo garantisce la qualità del trattamento e la sicurezza del degente.
A questo scopo, all’interno del laboratorio T3Ddy sono stati sviluppati simulatori differenti che replicano le regioni d’interesse coinvolte nella procedura da apprendere.
Tali simulatori sono stati realizzati grazie sia alla stampa diretta dell’anatomia coinvolta sia alla realizzazione di stampi per il colaggio di materiali in grado di mimare caratteristiche meccaniche dei tessuti molli. Un esempio notevole è la replica di un tratto intestinale per il training dell’intervento di allungamento dell’intestino in caso di sindrome dell’intestino corto (Figura 7).

Il simulatore è costituito da tre differenti elementi: tubo intestinale, mesentere e vasi sanguigni che realizzati separatamente vengono poi assemblati. La stampa 3D, in questa applicazione ha permesso di realizzare stampi con geometria complessa in tempi brevi e con costi compatibili con l’applicazione studiata (Figura 8).

A scopo dimostrativo sono stati realizzati con tecnologie SLS anche modelli anatomici cardiaci con specifiche anomalie congenite. Tali modelli consentono ai cardiologi una semplificazione della comunicazione con il paziente riguardo la descrizione delle procedure chirurgiche a cui devono essere sottoposti (Figura 9).

Strumentazione chirurgica

Un valido esempio di studio di strumentazione chirurgica è rappresentato dallo sviluppo di un dispositivo per la movimentazione della testa di un bisturi monopolare. Questa tipologia di strumento è usato in endoscopia per eseguire tagli e cauterizzazioni. T3Ddy ha sviluppato una impugnatura per lo strumento capace di aggiungere una funzionalità aggiuntiva, consentendo un movimento relativo tra la testa dello strumento (elettrodo monopolare in Figura 10) e la guaina esterna.

Il movimento di avvicinamento e allontanamento delle due parti del bisturi consente la realizzazione di una pinza con movimentazione lineare capace di afferrare piccole porzioni di tessuto organico senza nessun aumento dell’ingombro laterale dell’oggetto (condizione necessaria nelle pinze con meccanismo a forbice).
Questa funzione risulta importantissima nel campo della neurochirurgia, a causa di spazi di lavoro ridottissimi e all’estrema precisione che è necessario rispettare per evitare il danneggiamento di tessuti. Il chirurgo può inoltre ridurre i tempi dell’operazione, poiché non è più necessario sostituire lo strumento chirurgico all’interno dell’endoscopio per inserire una pinza.
Un prototipo del sistema, visibile in Figura 11, è stato realizzato attraverso tecnologie di stampa 3D (FDM), consentendo così la verifica del funzionamento del dispositivo.

Un ulteriore esempio di sviluppo di dispositivi chirurgici personalizzati sull’anatomia del paziente portato avanti con successo dal Laboratorio, è nell’ambito della chirurgia toracica, e specificatamente per il trattamento del Pectus Arcuatum, una rara deformità congenita della parete toracica caratterizzata dalla sporgenza e dall’ossificazione precoce dell’angolo sternale.
La correzione chirurgica del petto arcuatum comprende sempre una o più osteotomie sternali orizzontali, che consistono nell’eseguire un taglio orizzontale a forma di V dello sterno (prisma di resezione) mediante una sega elettrica oscillante. L’angolo tra la sega e il corpo sternale nel taglio a V viene determinato in base alla particolarità dell’arco sternale specifico.
La scelta dell’angolo giusto, decisa dal chirurgo sulla base della sua esperienza, è fondamentale per il successo dell’intervento. T3Ddy ha proposto un nuovo approccio basato sul CAD per progettare e produrre guide chirurgiche personalizzate, realizzate con tecniche di fabbricazione additiva e con materiali sterilizzabili, per assistere l’osteotomia sternale.
Partendo dalle immagini TAC, la procedura consente di determinare il corretto prisma di resezione e di modellare di conseguenza la guida chirurgica tenendo conto delle capacità di fabbricazione additiva (Figura 12). La procedura è stata applicata con successo su sei pazienti.

Conclusioni

La stampa 3D rappresenta ormai una tecnologia matura adottata nella comune pratica per personalizzare il trattamento clinico, migliorando così la qualità delle cure. Nuove frontiere si apriranno grazie allo studio e all’applicazione di nuovi materiali.
Tra le frontiere più promettenti è da considerarsi primaria l’introduzione dei materiali digitali, che permetteranno la costruzione di dispositivi dalle caratteristiche personalizzabili in ogni punto della struttura, grazie ad una calibrazione locale delle proprietà meccaniche.

Monica Carfagni Professore Ordinario, Francesco Buonamici Assegnista di Ricerca, Elisa Mussi Dottorando al 3° anno – Dipartimento di Ingegneria Industriale dell’Università di Firenze (DIEF)