Nuovi dispositivi e strumenti medici
La stampa 3D è praticamente diventata un sinonimo di prototipazione rapida. La facilità d’uso e il basso costo della stampa 3D in-house ha anche rivoluzionato lo sviluppo del prodotto e molti produttori di strumenti medici hanno adottato la tecnologia per produrre dispositivi medici e strumenti chirurgici nuovi di zecca.
Oltre il 90% delle 50 principali aziende di dispositivi medici utilizzano la stampa 3D per creare prototipi accurati di dispositivi medici, così come maschere e attrezzature per semplificare i test.
Nelle parole di Alex Drew, un ingegnere di progetto meccanico presso DJO Surgical, un fornitore globale di dispositivi medici. “Prima che DJO Surgical portasse a bordo la Formla, ci affidavamo quasi esclusivamente a fornitori di stampa esterni per i prototipi. Oggi, stiamo utilizzando quattro macchine Formlabs, e l’impatto è stato profondo. Il nostro tasso di stampa 3D è raddoppiato, il costo è stato ridotto del 70% e il livello dei dettagli di stampa consente una chiara comunicazione dei progetti con i chirurghi ortopedici.”
Le aziende di dispositivi medici come Coalesce utilizzano la stampa 3D per creare prototipi accurati di dispositivi medici.
La stampa 3D può accelerare il processo di progettazione iterando progetti complessi in giorni anziché settimane. Quando Coalesce è stata incaricata di creare un dispositivo inalatore in grado di valutare digitalmente il profilo di flusso inspiratorio di un paziente asmatico, l’esternalizzazione ai fornitori di servizi avrebbe comportato tempi lunghi per ogni prototipo. I file di progettazione avrebbero dovuto essere minuziosamente raffinati attraverso varie iterazioni prima di essere inviati fuori sede per essere costruiti.
Invece, la stampa 3D SLA desktop ha permesso a Coalesce di mantenere l’intero processo di prototipazione all’interno dell’azienda. I prototipi erano adatti all’uso negli studi clinici e sembravano proprio un prodotto finito. Infatti, quando hanno presentato il dispositivo, i loro clienti hanno scambiato il prototipo per il prodotto finale.
In generale, in-house ha rappresentato un’enorme riduzione dell’80-90% del tempo di realizzazione dei prototipi. Inoltre, le parti richiedevano solo otto ore per la stampa e potevano essere finite e verniciate in pochi giorni, mentre lo stesso processo avrebbe richiesto una o due settimane attraverso un appaltatore esterno.
Protesi accessibili
Ogni anno centinaia di migliaia di persone perdono un arto, ma solo un sottoinsieme di loro ha accesso a una protesi per recuperare la sua funzione.
Le protesi semplici sono disponibili solo in poche misure, quindi i pazienti devono accontentarsi di ciò che si adatta meglio, mentre i dispositivi bionici su misura progettati per imitare i movimenti e le prese degli arti reali che si basano sui muscoli dell’arto residuo di una persona per controllare le loro funzioni sono così costosi che sono accessibili solo ai pazienti con la migliore assicurazione sanitaria nei paesi sviluppati. Questo riguarda in particolare le protesi per bambini. Man mano che i bambini crescono e vivono delle avventure, inevitabilmente superano le loro protesi e richiedono riparazioni costose.
La difficoltà è la mancanza di processi di produzione che possono produrre parti personalizzate a prezzi accessibili. Ma sempre di più, i protesisti possono approfittare della tanto nota libertà di progettazione della stampa 3D per mitigare queste elevate barriere finanziarie al trattamento.
Iniziative come e-NABLE permettono a intere comunità in tutto il mondo di formarsi intorno alle protesi stampate in 3D. Stanno guidando un movimento indipendente nella produzione di protesi condividendo informazioni e progetti open-source liberamente online, in modo che i pazienti possano ottenere una protesi progettata su misura che è ben adattata per loro per un minimo di 50 dollari.
Altri inventori come Lyman Connor, fanno un ulteriore passo avanti. Con solo una piccola struttura di quattro stampanti 3D desktop, Lyman è stato in grado di completare e montare le sue prime protesi di produzione. Il suo obiettivo finale? Creare una mano completamente bionica, personalizzabile, da vendere a una frazione delle attuali decine di migliaia di dollari di prezzo al dettaglio per tali protesi avanzate.
Oltre, i ricercatori del MIT hanno anche identificato la stampa 3D come un mezzo ottimale per produrre prese di protesi più confortevoli.
Inutile dire che il basso costo di produzione di queste protesi, insieme alla libertà che viene con disegni personalizzati, si è dimostrato rivelatore. Le protesi realizzate con la stampa 3D possono essere girate in appena due settimane e poi possono essere provate e mantenute a un costo molto più basso delle loro controparti tradizionali.
Come i costi continuano a diminuire e le proprietà dei materiali migliorano, la stampa 3D avrà senza dubbio un ruolo crescente in questo settore dell’assistenza sanitaria.
Solette e ortesi correttive
Molte delle stesse alte barriere finanziarie al trattamento viste nelle protesi sono anche native di campi come le ortesi e le solette. Come molti altri dispositivi medici specifici per il paziente, le ortesi personalizzate sono spesso inaccessibili a causa del loro costo elevato e richiedono settimane o mesi per essere prodotte. Con la stampa 3D, questo non deve più essere il caso.
Ci viene in mente l’esempio di Matej e di suo figlio Nik. Nato prematuramente nel 2011, le difficoltà durante il parto hanno causato a Nik una paralisi cerebrale, una condizione che colpisce quasi venti milioni di persone in tutto il mondo. Matej è stato ispirato dalla volontà incrollabile di suo figlio di trascendere le limitazioni della sua condizione, ma si è trovato di fronte alla scelta tra un’ortesi standard pre-fatta che sarebbe stata inadeguata e scomoda per suo figlio, o una soluzione personalizzata costosa che avrebbe richiesto settimane o mesi per essere consegnata, solo per essere resa rapidamente obsoleta da un bambino in crescita.
Ha deciso di prendere in mano la situazione e cercare nuove soluzioni per raggiungere questo obiettivo. Con la libertà offerta dalle tecnologie digitali, tra cui la scansione e la stampa 3D, Matej e i fisioterapisti di Nik sono stati in grado di sperimentare liberamente e sviluppare un flusso di lavoro completamente nuovo e innovativo per le ortesi caviglia-piede (AFO).
L’ortesi personalizzata e stampata in 3D che ne è risultata ha fornito a Nik supporto, comfort e correzione proprio dove era necessario, aiutando Nik a fare finalmente i suoi primi passi indipendenti. Questo dispositivo ortesico personalizzato ha ripreso la finitura altamente regolata delle ortesi di fascia alta, ad una frazione del prezzo, e senza ulteriori regolazioni necessarie.
I professionisti di tutto il mondo stanno utilizzando la stampa 3D per reinventare plantari e ortesi specifiche per il paziente e il cliente, così come una serie di altri strumenti per migliorare la terapia fisica. In passato, il corso di terapia fisica con strumenti personalizzati si era rivelato difficile. I pazienti spesso affrontavano lunghi tempi di attesa e pezzi finiti che portavano al disagio. La stampa 3D è sulla strada per cambiare questo status quo. Le solette e le ortesi stampate in 3D si sono dimostrate più adatte, hanno portato a migliori risultati terapeutici e hanno fornito un maggior grado di comfort e di utilizzo per i pazienti.
Bioprinting, ingegneria dei tessuti, organi stampati in 3D e oltre
I mezzi convenzionali per trattare i pazienti con gravi fallimenti di organi attualmente coinvolgono l’uso di autografi, un innesto di tessuto da un punto all’altro del corpo dello stesso individuo, o trapianti di organi da un donatore. I ricercatori nel campo della bioprinting e dell’ingegneria dei tessuti sperano di cambiare presto questa situazione e di essere in grado di creare tessuti, vasi sanguigni e organi su richiesta.
La bioprinting 3D si riferisce all’uso di processi di produzione additiva per depositare materiali noti come bioinks per creare strutture simili ai tessuti che possono essere utilizzati in campo medico. L’ingegneria dei tessuti si riferisce alle varie tecnologie in evoluzione, compreso il bioprinting, per far crescere tessuti e organi sostitutivi in laboratorio per l’uso nel trattamento di lesioni e malattie.
Con l’aiuto della stampa 3D ad alta precisione, ricercatori come il dottor Sam Pashneh-Tala dell’Università di Sheffield hanno portato nuove possibilità all’ingegneria dei tessuti.
Per dirigere la crescita cellulare in modo da formare il tessuto richiesto, il dottor Pashneh-Tala fa crescere cellule viventi su un’impalcatura in laboratorio, che fornisce un modello della forma, dimensione e geometria richiesta. Per esempio, una struttura tubolare è necessaria per creare un vaso sanguigno per un paziente cardiovascolare. Le cellule si moltiplicano e coprono l’impalcatura, assumendone la forma. L’impalcatura poi si rompe gradualmente, lasciando le cellule viventi disposte nella forma del tessuto bersaglio, che viene coltivato in un bioreattore, una camera che contiene il tessuto in via di sviluppo e può riprodurre l’ambiente interno del corpo, per acquisire le prestazioni meccaniche e biologiche del tessuto organico.
Una camera del bioreattore stampata in 3D con un’aorta in miniatura costruita con tessuto che cresce all’interno. Il tessuto viene coltivato nel bioreattore per acquisire le prestazioni meccaniche e biologiche del tessuto organico.
Questo permetterà agli scienziati di creare disegni di innesti vascolari specifici per il paziente, opzioni chirurgiche migliorate e fornisce una piattaforma di test unica per nuovi dispositivi medici vascolari per coloro che soffrono di malattie cardiovascolari, che è attualmente la prima causa di morte in tutto il mondo. In seguito, l’obiettivo finale è quello di creare vasi sanguigni che siano pronti per essere impiantati nei pazienti. Poiché l’ingegneria dei tessuti utilizza cellule prelevate dal paziente che richiede il trattamento, elimina la possibilità di rigetto da parte del sistema immunitario, un problema importante nelle procedure convenzionali di trapianto di organi oggi.
La stampa 3D si è dimostrata capace di rispondere alle sfide della produzione di vasi sanguigni sintetici, risolvendo le difficoltà di ricreare le forme, le dimensioni e le geometrie precise del vaso richiesto. Essere in grado di abbinare strettamente le soluzioni stampate alle esigenze specifiche dei pazienti si è rivelato rivelatore.
Nelle parole del dottor Pashneh-Tala: “offre il potenziale per migliorare le opzioni chirurgiche e persino i disegni dei vasi sanguigni adattati al paziente. Senza l’accesso alla stampa 3D ad alta precisione e a prezzi accessibili, la creazione di queste forme non sarebbe possibile.”
Abbiamo visto emozionanti scoperte nei materiali biologici adatti all’uso nelle stampanti 3D. Gli scienziati stanno sviluppando nuovi materiali idrogel che hanno la stessa consistenza dei tessuti degli organi che si trovano nel cervello umano e nei polmoni e possono essere compatibili con vari processi di stampa 3D. Gli scienziati sperano di essere in grado di impiantarli su un organo, per agire come “impalcatura” su cui le cellule sarebbero incoraggiate a crescere.
Mentre la biostampa di organi interni completamente funzionali come cuori, reni e fegati sembra ancora futuristica, i progressi con le tecniche ibride di stampa 3D stanno accadendo ad un ritmo molto rapido.
Prima o poi, la costruzione di materia biologica nelle stampanti di laboratorio dovrebbe portare alla capacità di generare nuovi organi stampati 3D completamente funzionali. Nell’aprile 2019, gli scienziati hanno creato il primo cuore 3D usando i materiali biologici di un paziente all’Università di Tel Aviv. La minuscola replica è stata creata utilizzando i materiali biologici del paziente stesso, generando una corrispondenza completa del profilo immunologico, cellulare, biochimico e anatomico del paziente.
“In questa fase, il nostro cuore 3D è piccolo, la dimensione del cuore di un coniglio, ma cuori umani più grandi richiedono la stessa tecnologia”, ha detto il professor Tal Dvir.
Il primo cuore bioprinted 3D, creato all’Università di Tel Aviv.
Che cosa c’è dopo la stampa 3D medica?
Precisi ed economici processi di stampa 3D come la stereolitografia desktop stanno democratizzando l’accesso alla tecnologia, consentendo ai professionisti della sanità di sviluppare nuove soluzioni cliniche e produrre rapidamente dispositivi personalizzati, e permettendo ai medici di fornire nuovi trattamenti in tutto il mondo.
Quando le tecnologie e i materiali della stampa 3D continueranno a migliorare, apriranno la strada alla cura personalizzata e alle applicazioni mediche ad alto impatto.
Per saperne di più sulla stampa 3D nella sanità