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Approfondimenti sul settore

5 casi di utilizzo innovativi della stampa 3D nel settore medico

La medicina personalizzata e di precisione è in costante crescita. Nuovi strumenti e tecnologie avanzate avvicinano medici e pazienti, fornendo trattamenti e apparecchiature personalizzati in grado di fornire il miglior servizio possibile a ciascun individuo.

I progressi nel campo della tecnologia di stampa 3D per la medicina hanno dato un contributo fondamentale al settore sanitario in diversi ambiti. Ai pazienti, i nuovi strumenti e i nuovi metodi terapeutici sviluppati grazie alla stampa 3D possono offrire un maggior comfort e una maggior personalizzazione della cura. Ai medici, questa nuova tecnologia permette una miglior comprensione dei casi complessi e fornisce nuovi strumenti in grado di garantire standard di cura superiori.

Continua a leggere per scoprire cinque nuovi utilizzi della stampa 3D in campo sanitario, dai modelli per la pianificazione chirurgica fino ai sistemi vascolari e ai bioreattori stampati in 3D, e capire perché il potenziale di questa tecnologia in campo medico entusiasma i professionisti del settore.


Webinar

Applicazioni e workflow della stampa 3D: la prospettiva della Mayo Clinic

In questo webinar, il dr. Jonathan Morris, co-direttore dell'Anatomic Modeling Laboratory e neurologo alla Mayo Clinic, racconta la storia della stampa 3D in ambito medico ed esamina casi di studio tratti dal mondo reale in cui i radiologi hanno introdotto le capacità e i programmi di stampa 3D negli ospedali.

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1. Modelli chirurgici specifici su misura per il paziente

I modelli anatomici stampati in 3D realizzati a partire dai dati del paziente stanno diventando strumenti sempre più utili nella pratica della medicina di precisione personalizzata. Via via che i casi diventano più complessi e che l'efficienza operatoria assume un ruolo sempre più cruciale nei casi di routine, l'uso di modelli di riferimento visivi e tattili può migliorare la comprensione e la comunicazione all'interno dell'équipe medica e con i pazienti.

I professionisti sanitari, gli ospedali e gli istituti di ricerca di tutto il mondo si servono di modelli anatomici stampati in 3D come strumenti di riferimento per la pianificazione preoperatoria, la visualizzazione intraoperatoria e il dimensionamento o l'adattamento preventivo delle attrezzature mediche in interventi tanto di routine quanto complessi, come documentato da centinaia di pubblicazioni.

Realizzare modelli di riferimento tattili su misura per il paziente a partire dai dati di TAC e risonanze magnetiche è facile e conveniente con la stampa 3D. La letteratura accademica mostra che questi modelli forniscono una visualizzazione più approfondita, che permette ai medici di prepararsi meglio agli interventi, riducendo drasticamente tempo e costi in sala operatoria e offrendo vantaggi per i pazienti in termini di soddisfazione e riduzione dell'ansia e dei tempi di recupero. 

I medici possono usare modelli chirurgici su misura per spiegare la procedura al paziente prima dell'intervento, aumentandone il consenso e riducendone l'ansia.

Imparare dai modelli preoperatori può anche influire sul corso del trattamento. È il caso dell'esperienza del dr. Micheal Eames. Dopo aver riprodotto le ossa dell'avambraccio di un giovane paziente, il dr. Eames si è reso conto che la lesione era diversa da come pensava inizialmente.

Il dr. Eames ha quindi optato per una nuova procedura per i tessuti molli, molto meno invasiva, che ha ridotto la durata della riabilitazione e l'entità delle cicatrici. Servendosi della riproduzione dell'osso stampata in 3D, il dr. Eames ha illustrato la procedura chirurgica al giovane paziente e ai suoi genitori, ottenendone il consenso.

Il risultato? L'intervento è durato meno di 30 minuti, invece delle tre ore previste inizialmente. La durata inferiore dell'intervento ha portato a un risparmio stimato di 5500 $ per l'ospedale e ha fatto sì che il paziente potesse trascorrere meno tempo nel reparto di riabilitazione.

Nelle parole del dottor Alexis Dang, chirurgo ortopedico dell'Università della California San Francisco (UCSF) e del San Francisco Veteran's Affairs Medical Center: "Tutti i chirurghi ortopedici a tempo pieno e quasi la metà dei chirurghi part-time del San Francisco Veteran's Affairs Medical Center hanno utilizzato i modelli stampati in 3D nella cura dei pazienti. Abbiamo notato che la stampa 3D migliora le performance nei momenti cruciali."

Nuovi materiali biocompatibili per la stampa 3D in campo medico hanno permesso anche di sviluppare nuovi strumenti chirurgici e nuove tecniche, allo scopo di migliorare ulteriormente l'esperienza clinica durante l'intervento. Fra questi vi sono vassoi di fissaggio, modelli di contornatura e modelli di dimensionamento delle protesi sterilizzabili, che possono essere usati per dimensionare gli impianti in sala operatoria prima di tagliare, aiutando i chirurghi a ridurre i tempi e migliorare l'accuratezza delle procedure complesse. 

Il modello anatomico di una mano, con tanto di "pelle" realizzata con un materiale per la stampa 3D elastico.

Il dr. Todd Goldstein, docente presso il Feinstein Institute for Medical Research, non ha dubbi sull'importanza che la stampa 3D ha assunto nel suo dipartimento. Stima che, se Northwell usasse i modelli stampati in 3D nel 10-15% dei casi, potrebbe risparmiare 1 750 000 $ all'anno.

"Da prototipi di dispositivi medici e complessi modelli anatomici per il nostro ospedale pediatrico alla creazione di programmi di formazione, fino alla produzione di dime chirurgiche per l'implantologia nella nostra clinica odontoiatrica, [la stampa 3D] ha ampliato le nostre capacità e ridotto i costi, consentendoci di fornire strumenti per il trattamento dei pazienti che sarebbero impossibili da replicare senza una stampante 3D SLA."


Whitepaper

Come stampare modelli anatomici in 3D per la pianificazione preoperatoria e migliorare le possibilità di ottenere il consenso dei pazienti

Scarica il nostro whitepaper che presenta una procedura di guida rivolta a medici e tecnici per iniziare a stampare in 3D modelli anatomici a partire dalle scansioni dei pazienti, e illustra le buone pratiche per la configurazione di risonanze magnetiche o TAC, la segmentazione dei dati e la conversione dei file in un formato stampabile in 3D.

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2. Nuovi dispositivi e strumenti medici

La stampa 3D di fatto è diventata sinonimo di prototipazione rapida. La facilità di utilizzo e i costi ridotti della stampa 3D in-house hanno anche rivoluzionato lo sviluppo dei prodotti, e molti produttori di attrezzature mediche hanno adottato questa tecnologia per produrre nuovi dispositivi medici e nuovi strumenti chirurgici.

Oltre il 90% delle 50 migliori aziende di dispositivi medici usa la stampa 3D per creare prototipi accurati di dispositivi medici, nonché dime e fissaggi per semplificare le prove.

Nelle parole di Alex Drew, ingegnere meccanico presso DJO Surgical, fornitore globale di dispositivi medici: "Prima di adottare [la stampante 3D Formlabs], DJO Surgical faceva affidamento quasi esclusivamente su fornitori esterni per la stampa dei prototipi. Oggi usiamo quattro apparecchi Formlabs e l'impatto è stato enorme. Il ritmo della stampa 3D è duplicato, i costi sono stati ridotti del 70% e il livello di dettaglio della stampa consente una comunicazione chiara del design con i chirurghi ortopedici."

Aziende produttrici di dispositivi medici come Coalesce usano la stampa 3D per creare prototipi di dispositivi medici accurati.

La stampa 3D può velocizzare la progettazione, permettendo di completare l'iterazione di modelli complessi nel giro di pochi giorni anziché di settimane. Quando Coalesce è stata incaricata di creare un inalatore in grado di valutare digitalmente il profilo del flusso inspiratorio dei pazienti asmatici, l'esternalizzazione a fornitori esterni avrebbe comportato tempi di realizzazione più lunghi per ogni prototipo. I file dei progetti avrebbero dovuto essere perfezionati con cura attraverso varie iterazioni successive prima di essere inviati all'esterno per la realizzazione. 

La stampa 3D SLA desktop, invece, ha permesso a Coalesce di mantenere l'intero processo di prototipazione in-house. I prototipi erano adatti all'utilizzo in studi clinici ed erano identici al prodotto finito, al punto che, quando venivano mostrati ai pazienti, questi li scambiavano per il dispositivo vero e proprio.

In generale, la produzione in-house ha comportato una riduzione dell'80-90% dei tempi di realizzazione dei prototipi. E, cosa più importante, è stato possibile stampare le parti in sole otto ore e rifinirle e dipingerle nel giro di pochi giorni, mentre le stesse operazioni affidate a un fornitore esterno avrebbero richiesto una settimana o due.

3. Protesi a prezzi accessibili

Ogni anno centinaia di migliaia di persone perdono un arto, ma solo in pochi possono permettersi una protesi per recuperarne le funzionalità.

Le protesi semplici sono disponibili solo in una gamma ridotta di dimensioni, quindi i pazienti devono accontentarsi di quella che si adatta meglio, mentre i dispositivi bionici su misura, progettati per riprodurre i movimenti e le prese degli arti e in cui il controllo delle funzioni dipende dai muscoli rimasti al paziente, sono talmente costosi che possono permetterseli solo i pazienti che dispongono di una buona assicurazione sanitaria nei paesi più sviluppati. Questo problema riguarda in particolare le protesi per bambini. A mano a mano che i bambini crescono e si lanciano in nuove avventure, inevitabilmente le loro protesi si rivelano troppo piccole e richiedono interventi di riparazione costosi.

Il principale ostacolo è la mancanza di processi produttivi in grado di creare parti su misura a un prezzo conveniente. Ma sempre più spesso i protesisti possono servirsi dell'ormai nota libertà di progettazione offerta dalla stampa 3D per superare le barriere finanziarie. 

Iniziative come e-NABLE consentono a intere comunità in tutto il mondo di formarsi nella realizzazione delle protesi stampate in 3D. Condividendo gratuitamente online le informazioni e i modelli open source, stanno favorendo la nascita di un movimento indipendente di produzione protesica che permette ai pazienti di ottenere una protesi su misura per loro a un prezzo di appena 50 $. 

Altri inventori, come Lyman Connor, si spingono oltre. Con appena quattro stampanti 3D desktop a disposizione, Lyman ha potuto ultimare e adattare le prime protesi da lui prodotte. Il suo vero obiettivo? Creare una mano bionica personalizzabile da vendere a una frazione del prezzo esorbitante (decine di migliaia di dollari) a cui sono vendute attualmente protesi tanto avanzate. 

Anche i ricercatori del MIT hanno identificato nella stampa 3D uno strumento adatto a realizzare protesi con alloggiamenti più confortevoli per i monconi.

Non occorre dire che il basso costo di realizzazione di queste protesi, oltre alla libertà offerta dal design su misura, si è rivelato un fattore decisivo. Le protesi realizzate con la stampa 3D possono essere ultimate in appena due settimane, e test e manutenzione hanno un costo molto inferiore rispetto alle protesi tradizionali. 

Visto che i costi continuano a ridursi e le proprietà dei materiali a migliorare, la stampa 3D avrà senza dubbio un ruolo sempre più importante in campo sanitario.

4. Solette correttive e ortesi

Molte delle barriere finanziarie del settore protesico riguardano anche la realizzazione di ortesi e solette. Come molti altri dispositivi medici realizzati su misura, le ortesi spesso hanno un costo proibitivo per i pazienti e la loro realizzazione richiede settimane o mesi. Con la stampa 3D, questo non è più un problema.

Prendiamo ad esempio il caso di Matej e suo figlio Nik. Nato prematuro nel 2011, Nik a seguito di un parto difficile è stato colpito da una paralisi cerebrale, una condizione che accomuna quasi venti milioni di persone nel mondo. Matej ha trovato stimolante la salda determinazione di suo figlio a superare i limiti della propria condizione, ma doveva scegliere tra ortesi standard prefabbricate, che sarebbero state inadeguate e scomode per suo figlio, o una costosa soluzione personalizzata, che avrebbe richiesto settimane o mesi di realizzazione, per poi diventare rapidamente obsoleta con la crescita del bambino.

Perciò ha deciso di prendere in mano la situazione e cercare soluzioni alternative per risolvere il problema. Grazie alla libertà offerta dalle tecnologie digitali, fra cui la  scansione e la stampa 3D, gli ortopedici di Matej e Nik hanno potuto sperimentare liberamente e sviluppare un flusso di lavoro assolutamente innovativo per realizzare ortesi caviglia-piede.

Le ortesi su misura stampate in 3D hanno fornito a Nik esattamente il sostegno, il comfort e la correzione di cui aveva bisogno, aiutandolo a muovere i primi passi da solo. Questo dispositivo ortesico personalizzato ha lo stesso grado di adattamento delle ortesi più costose, a una frazione del prezzo e senza bisogno di ulteriori regolazioni.

I professionisti di tutto il mondo si servono della stampa 3D per reinventare solette e ortesi su misura per i loro pazienti, nonché una gamma di altri dispositivi per potenziare la fisioterapia. In passato, la realizzazione di dispositivi ortopedici personalizzati si era rivelata difficile. Spesso i pazienti si trovavano a dover sopportare lunghi tempi di attesa e parti finite scomode da usare. La stampa 3D è sulla buona strada per cambiare questa situazione. Le solette e le ortesi stampate in 3D si sono dimostrate più adattabili e hanno portato a migliori risultati terapeutici, oltre a offrire ai pazienti una maggior comodità di utilizzo.

5. Biostampa, ingegneria tissutale, organi stampati in 3D e non solo

Tradizionalmente i pazienti con gravi lesioni agli organi vengono curati con autotrapianti, che consistono nel trapianto di tessuti da una parte del corpo all'altra, o con trapianti di organi di un donatore. Grazie alle ricerche nel campo della biostampa e dell'ingegneria tissutale, si spera che presto questa situazione cambi e sia possibile creare tessuti, vasi sanguigni e organi su misura.

La biostampa 3D consiste nell'uso di processi di produzione additiva per depositare materiali chiamati bioinchiostri e creare strutture simili ai tessuti che possono essere usate in campo medico. L'ingegneria tissutale ricorre alle diverse tecnologie in via di sviluppo, fra cui la biostampa, per creare in laboratorio tessuti e organi sostitutivi da usare nella cura di lesioni e malattie. 

Grazie alla stampa 3D ad alta precisione, ricercatori come il dr. Sam Pashneh-Tala dell'Università di Sheffield hanno aperto nuove strade all'ingegneria tissutale.

Per guidare la crescita delle cellule viventi in modo che formino il tessuto desiderato, il dr. Pashneh-Tala nel suo laboratorio utilizza uno stampo che fornisce un modello della forma, delle dimensioni e della geometria desiderate. Ad esempio, per creare un vaso sanguigno per un paziente cardiologico occorre una struttura tubolare. Le cellule si moltiplicheranno e rivestiranno lo stampo, assumendone la forma. Quindi lo stampo si romperà gradualmente, lasciando le cellule viventi disposte nella forma del tessuto desiderato, che verrà coltivato in un bioreattore, una camera che contiene il tessuto che si sta sviluppando e che è in grado di riprodurre l'ambiente interno del corpo, in modo che acquisisca le proprietà meccaniche e biologiche di un tessuto organico.

La camera di un bioreattore stampata in 3D in cui si sta sviluppando un'aorta in miniatura realizzata mediante l'ingegneria tissutale. Il tessuto viene coltivato nel bioreattore per acquisire le proprietà meccaniche e biologiche del tessuto organico.

Questa tecnologia permetterà agli scienziati di creare modelli di vasi sanguigni su misura da trapiantare ai pazienti, offrendo migliori opzioni chirurgiche e un banco di prova unico per nuovi dispositivi rivolti ai pazienti con patologie cardiovascolari, che attualmente sono la prima causa di morte al mondo. L'obiettivo finale è creare vasi sanguigni pronti per essere impiantati sui pazienti. Usando cellule che vengono prese dal paziente stesso, l'ingegneria tissutale elimina la possibilità di rigetto da parte del sistema immunitario, che oggi è un problema serio delle procedure di trapianto di organi. 

La stampa 3D si è rivelata in grado di rispondere alla sfida di produrre vasi sanguigni sintetici, risolvendo le difficoltà legate all'esatta riproduzione delle forme, delle dimensioni e delle geometrie. La capacità di adattare perfettamente le soluzioni stampate alle esigenze specifiche dei pazienti si è rivelata cruciale. 

Come ha dichiarato il dr. Pashneh-Tala: "[La creazione di vasi sanguigni attraverso la stampa 3D] potenzialmente può offrire migliori opzioni chirurgiche, e perfino produrre vasi sanguigni su misura per i pazienti. Senza l'accesso alla precisione e all'affidabilità offerte della stampa 3D, ciò non sarebbe possibile."

Abbiamo visto entusiasmanti passi avanti nei materiali biologici adatti alla stampa 3D. Gli scienziati stanno sviluppando nuovi idrogel che hanno la stessa consistenza di un tessuto organico che si trova nel cervello e nei polmoni umani e possono essere compatibili con diversi processi di stampa 3D. Gli scienziati sperano di poterli impiantare su un organo, in modo da usarlo come "stampo" su cui incoraggiare la crescita delle cellule.

Se la biostampa di organi interni come cuore, reni e fegato perfettamente funzionali sembra ancora una prospettiva futuristica, le tecniche di stampa 3D ibride stanno facendo rapidi progressi. 

Presto o tardi, la capacità di stampare il materiale biologico in laboratorio permetterà di creare nuovi organi stampati in 3D perfettamente funzionali. Nell'aprile 2019 all'Università di Tel Aviv gli scienziati hanno creato il primo cuore in 3D usando i materiali biologici di un paziente. La minuscola replica è stata realizzata a partire dai materiali biologici del paziente stesso, in modo da essere completamente compatibile con il suo profilo immunologico, cellulare, biochimico e anatomico.

"In questa fase, il nostro cuore in 3D è piccolo, ha le stesse dimensioni del cuore di un coniglio, ma per creare un cuore umano più grande occorre la stessa tecnologia" ha affermato il professor Tal Dvir.

Il primo cuore biostampato in 3D, creato all'Università di Tel Aviv.

Che cosa riserva il futuro per la stampa 3D in campo medico?

I processi di stampa 3D precisi ed economici come la stereolitografia desktop stanno democratizzando l'accesso alla tecnologia, consentendo ai professionisti sanitari di sviluppare nuove soluzioni cliniche e realizzare rapidamente dispositivi su misura, e permettendo ai medici di offrire nuovi trattamenti in tutto il mondo.  

I continui progressi nel campo delle tecnologie e dei materiali per la stampa 3D aprono la strada a cure personalizzate e applicazioni mediche di grande impatto.

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