Medical 3d printing

Stampa 3D medicale

La stampa 3D medicale sta creando un'assistenza sanitaria veramente personalizzata grazie alla sua capacità di produrre in modo rapido ed economico dispositivi, impianti, protesi e persino tessuti specifici per il paziente

Che cos'è la stampa 3D?

La stampa 3D, talvolta indicata come fabbricazione additiva, è una tecnica di produzione che crea un oggetto fisico tridimensionale a partire da un file di progettazione digitale. Il termine comprende diversi processi, che prevedono il deposito di uno o più materiali - in genere plastica, metallo, cera o materiali compositi - strato per strato per costruire una struttura.

L'intero processo è controllato dal computer, il che rende la stampa 3D un metodo molto economico, efficiente e preciso per creare oggetti di qualsiasi geometria o complessità. La stampa 3D è utilizzata in quasi tutti i settori industriali per produrre qualsiasi cosa, da modelli, prototipi, strumenti e maschere a componenti e prodotti finiti.

Le stampanti 3D sono disponibili in varie dimensioni, da quelle sufficientemente piccole da essere posizionate su un banco di lavoro alle macchine industriali di grande formato.

Le stampanti di grandi dimensioni sono in grado di produrre oggetti più grandi, ma le macchine occupano più spazio e sono significativamente più costose rispetto alle stampanti da banco. La realizzazione di una stampa di successo è anche più complessa nelle macchine di grande formato, a causa del volume di materiale e dei tempi di stampa necessari.

 

In che modo la stampa 3D può essere utile al settore sanitario?

Le stampanti 3D aiutano il settore medico in tre modi principali:

  • Migliori risultati per i pazienti
  • Risparmio di tempo e di costi
  • Accelerazione del ciclo di ricerca e sviluppo

La libertà di produrre oggetti specifici per il paziente è l'opposto dei metodi tradizionali che si basano su impianti, strumenti e protesi (arti artificiali) standardizzati e prodotti in serie.

La produzione di prodotti unici su ordinazione non è un concetto nuovo, ma in genere ha costi proibitivi e tempi lunghi (il periodo che intercorre tra l'ordine e la consegna).

Con la stampa 3D, invece, il costo di produzione di un oggetto è uguale a quello di migliaia, a prescindere dall'unicità o dalla complessità dell'articolo. Inoltre, la produzione può avvenire più vicino al luogo della domanda, anziché in uno stabilimento in un altro continente. Questo riduce notevolmente i tempi di consegna e consente un processo di produzione più agile e iterativo.  

La stampa 3D medicale comprime anche i tempi di ricerca e sviluppo, riducendo l'intervallo di tempo tra un miglioramento e l'altro della progettazione, consentendo di condurre un maggior numero di test in un periodo di tempo uguale o inferiore e di evidenziare potenziali problemi in una fase più precoce del processo.

La stampa 3D in campo medico in tempo di crisi

Durante la pandemia Covid-19, il mondo ha dovuto affrontare carenze critiche di beni medici essenziali a causa dell'aumento della domanda e delle interruzioni della produzione e dei trasporti. Gli articoli più necessari erano quelli più scarsi, ovvero i dispositivi di protezione individuale (DPI) e i ventilatori.

La flessibilità e la velocità della stampa 3D hanno fatto sì che la tecnologia venisse alla ribalta in questo periodo, con molte organizzazioni che hanno messo le stampanti al lavoro per produrre articoli molto necessari.

Photocentric, con sede nel Regno Unito, ne è stato un esempio. L'azienda ha utilizzato la sua tecnologia di stampa 3D medica brevettata per fornire rapidamente milioni di schermi facciali per proteggere i lavoratori in prima linea. Il suo magazzino di Peterborough è stato trasformato in una fabbrica snella e appositamente costruita, dove una flotta di 45 stampanti di grande formato ha prodotto più di 50.000 componenti al giorno.

Secondo un portavoce di Photocentric, questo successo dimostra che la stampa 3D medicale non è più riservata alla prototipazione lenta e costosa, ma può produrre la quantità necessaria, quando serve, dove serve e a un prezzo competitivo.

Come viene utilizzata la stampa 3D in campo medico?

La stampa 3D medicale copre molte discipline e serve un ampio spettro di esigenze. Le quattro più comuni sono:   

  • PROTESI

Una protesi non correttamente adattata può influire notevolmente sulla salute e sulla vita quotidiana del paziente, causando dolore, piaghe e vesciche e aumentando il rischio di cadute o altri incidenti. Ulteriori consultazioni o addirittura interventi chirurgici per migliorare l'adattamento costano tempo e denaro al paziente e all'operatore sanitario.

La combinazione di scanner digitali ad alta definizione e stampanti 3D consente di creare una protesi comoda e conveniente che si adatta perfettamente all'anatomia o alla lesione del paziente.

Ciò elimina la necessità di misurazioni manuali e di creazione di stampi, aumentando l'accuratezza e l'efficienza del processo. Ciò consente di accelerare notevolmente la progettazione e la consegna di soluzioni personalizzate, da dispositivi semplici a creazioni complesse e multiarticolate.

La stampa 3D medicale viene utilizzata principalmente per produrre le parti della protesi che entrano in contatto diretto o interagiscono con il corpo del paziente. Per produrre gli altri componenti e le strutture di supporto si utilizzano in genere tecniche e materiali di produzione tradizionali.

  • IMPIANTI (ORTOPEDICI, ORTODONTICI E DENTALI)

Come le protesi, un impianto montato male può avere un impatto negativo sul benessere del paziente. La stampa 3D medicale consente ai chirurghi di creare impianti personalizzati utilizzati per sostituire o rafforzare ossa e articolazioni.

La capacità di creare strutture complesse con una stampante 3D ha migliorato la progettazione degli impianti ortopedici, ad esempio, fornendo migliori superfici di legame con l'osso e materiali più resistenti.

Alcuni studi hanno dimostrato che le strutture e le maglie stampate in 3D, a seconda del materiale di stampa utilizzato, possono durare più a lungo, avere prestazioni migliori e offrire una maggiore funzionalità rispetto agli impianti tradizionali in titanio e ceramica zirconia.

Gli impianti dentali, come denti finti, capsule e riparazioni ossee, sono da tempo una parte fondamentale dell'odontoiatria. Come per altre applicazioni, la stampa 3D medicale consente ai dentisti di personalizzare e produrre impianti con maggiore velocità, precisione ed efficienza e un adattamento superiore.

La tecnologia consente anche un migliore controllo della struttura dell'impianto e i dentisti possono scegliere tra materiali resistenti come ceramiche, polimeri e compositi.

  • MODELLI ANATOMICI

I chirurghi utilizzano tecniche di scansione e imaging digitale 3D per pianificare in modo approfondito le procedure chirurgiche prima di eseguirle. Le immagini interne altamente dettagliate sono fornite di routine dagli ultrasuoni, dalla risonanza magnetica (RM) e dalla tomografia computerizzata (TC). Tuttavia, queste immagini sono tipicamente visualizzate su uno schermo 2D che limita la visibilità e la comprensione delle strutture anatomiche circostanti.  

Le stampanti 3D utilizzano questi file digitali per costruire modelli in scala 1:1 ultra-realistici e accurati di un organo o di una parte del corpo. Questi modelli consentono ai medici di pianificare e provare meglio le azioni in anticipo. Ciò è particolarmente vantaggioso per le procedure più complicate o per quelle che l'équipe chirurgica non ha mai eseguito di routine.

La pratica delle procedure rende gli interventi chirurgici più sicuri, più veloci, più accurati e personalizzati, il che si traduce in risultati migliori per i pazienti. Inoltre, questi modelli possono essere mostrati durante le consultazioni preoperatorie per spiegare meglio ai pazienti la loro situazione medica e il trattamento.  

I modelli forniscono anche agli studenti di medicina e ai medici in erba una formazione più completa. La possibilità di tenere in mano, ispezionare e manipolare modelli di tumori, fratture, anomalie e altre lesioni del mondo reale offre l'opportunità di comprenderli meglio e quindi di trattarli.

  • STRUMENTI CHIRURGICI

Le guide di taglio e perforazione aiutano i chirurghi a posizionare gli impianti con maggiore precisione, efficienza e sicurezza. Di conseguenza, le procedure sono più rapide, meno invasive e richiedono tempi di riabilitazione del paziente più brevi.

La stampa 3D medicale sta rapidamente sostituendo i metodi convenzionali di produzione di queste guide in quanto è più veloce, più facile, può essere completata in loco e, soprattutto, può essere personalizzata in base all'esatta morfologia del paziente.

Gli strumenti chirurgici o medici stampati in 3D comprendono un'ampia gamma di pinze, divaricatori, pinze e impugnature. Il vantaggio principale di uno strumento stampato in 3D è la facilità con cui può essere personalizzato in base alle esigenze di un chirurgo specifico, a differenza delle guide stampate in 3D che possono essere personalizzate in base al singolo paziente.

In alcuni casi, un medico può fornire un feedback su uno strumento stampato in 3D e avere tra le mani una versione modificata il giorno stesso.

Il valore di un modello anatomico stampato in 3D

Bradley è nato con un tumore al cuore ed è stato sottoposto a diversi interventi a cuore aperto, tra cui l'installazione di un defibrillatore per proteggerlo dalla morte cardiaca improvvisa. A 16 anni si è ritrovato di nuovo in ospedale per un altro intervento volto a fermare l'interferenza elettrica causata dal tumore di grandi dimensioni.

Alla ricerca di ulteriori informazioni su come trattare al meglio il tumore, l'équipe medica ha contattato il fornitore di servizi di stampa 3D Materialise per creare una replica stampata in 3D del cuore di Bradley a partire dai dati della sua TAC.

Il modello ha permesso ai medici di comprendere meglio la complessa relazione tra il tumore (stampato in un materiale duro e opaco) e le strutture anatomiche circostanti (stampate in un materiale flessibile e trasparente).

Il modello ha permesso all'équipe di procedere con sicurezza all'intervento chirurgico e ha consentito a Bradley e alla sua famiglia di comprendere meglio la sua particolare anatomia.

Quali sono le opportunità di crescita della stampa 3D medicale?

Grazie alla costante ricerca, emergono sempre nuove applicazioni per la stampa 3D medicale. Le aree che si prevede vedranno una crescita significativa nei prossimi cinque-dieci anni includono:

  • MEDICINA PERSONALIZZATA

I farmaci stampati in 3D stanno accelerando l'abbandono da parte dell'industria farmaceutica del tradizionale metodo di produzione ad alto volume e a taglia unica verso un modello più personalizzato e preciso.

Il principale vantaggio dell'utilizzo delle stampanti 3D per la produzione di farmaci è la possibilità di produrre piccoli lotti di qualsiasi forma e dimensione con dosaggi stabiliti per ogni paziente. La stampa di farmaci on-demand riduce drasticamente gli sprechi, i costi e i tempi, soprattutto nello sviluppo di nuovi farmaci.

Secondo le stime di Pfizer, l'immissione sul mercato di un nuovo farmaco richiede in media 12 anni e costa più di 1 miliardo di dollari. Inoltre, per ogni 10-20 farmaci identificati in laboratorio, solo uno raggiungerà mai i pazienti. Gli altri falliranno lungo il percorso per una serie di ragioni.

La stampa 3D medica aumenta la velocità e l'economicità delle sperimentazioni cliniche dei farmaci, poiché i lotti di prova possono essere prodotti in piccole quantità anziché in serie. Alla fine, potremmo vedere le stampanti 3D installate nelle farmacie, negli ospedali e nelle cliniche, soprattutto nelle aree remote, per produrre farmaci personalizzati quando necessario. 

  • DISPOSITIVI MEDICI

Secondo Formlabs, specialista della stampa 3D, oltre il 90% delle 50 principali aziende di dispositivi medici utilizza la stampa 3D per creare prototipi ad alta velocità e a basso costo di dispositivi medici, nonché maschere e dispositivi per semplificare i test.

Oltre alla prototipazione rapida, la stampa 3D medicale viene utilizzata per produrre componenti e involucri per dispositivi medici di uso finale e, in alcuni casi, l'intero dispositivo stesso. Questa capacità è emersa sulla scia di Covid-19, quando le alternative stampate in 3D alle forniture tradizionali sono diventate comuni: i tamponi nasali sono solo un esempio.

Altri dispositivi medici stampati in 3D includono inalatori, iniettori, porta-aghi, vassoi per strumenti chirurgici, stecche e apparecchiature di analisi. La tecnologia sta anche migliorando i processi di produzione tradizionali, producendo utensili su misura come modelli, schemi, calchi e stampi da utilizzare in una serie di macchine per lo stampaggio e la fusione.

  • BIOSTAMPA

La bioprinting 3D è simile alla stampa 3D, tranne per il fatto che stampa strati di cellule viventi, noti come bio-inchiostro, anziché plastica o metallo. Il bio-inchiostro viene utilizzato per creare tessuto cutaneo artificiale, ossa, vasi sanguigni e potenzialmente interi organi utilizzati per trapianti, innesti, formazione o ricerca.

La bioprinting è ancora agli inizi a causa della complessità della riproduzione di materiale vivente, in particolare di organi come cuori, fegati e reni. Tuttavia, i progressi stanno avvenendo grazie al lavoro pionieristico di università, ricercatori e imprese private di tutto il mondo.

A motivarli è la prospettiva di eliminare la necessità di organi donati e il rischio di rigetto stampando in 3D nuovi organi utilizzando le cellule del paziente stesso.

Stampa 3D dell'osso

Le procedure di ricostruzione ossea vengono eseguite milioni di volte all'anno, dai difetti ossei congeniti alle vittime di incidenti e ai pazienti oncologici. Attualmente, questi pazienti ricevono un pezzo di osso prelevato o un impianto in titanio che rimane nel loro corpo per il resto della vita.

L'azienda danese di tecnologia medica Ossiform ha sviluppato una tecnologia brevettata dirompente per ricostruire l'esatta anatomia del paziente con impianti stampati in 3D, specifici per il paziente e dotati di una porosità ossea naturale. Gli impianti sono realizzati con biomateriali naturali che si degradano nel tempo e si rimodellano in vero tessuto osseo vivente.

Gli impianti ossei P3D possono essere progettati per fornire additivi, tra cui antibiotici e chemioterapici, che possono essere rilasciati per un periodo controllato e prolungato. Ciò offre ampi benefici ai pazienti e apre nuove opzioni per il trattamento dei difetti ossei.

La tecnologia viene utilizzata anche per produrre un prodotto di R&S stampato in 3D, gli Scaffold P3D, per migliorare la ricerca sulle ossa. Il primo impianto osseo P3D per uso umano dovrebbe arrivare sul mercato nella seconda metà del 2022.

Quali sono i limiti della stampa 3D in campo medico?

 

  • STANDARD NORMATIVI

La stampa 3D medicale deve essere sottoposta allo stesso processo di valutazione di qualsiasi altra tecnologia sanitaria. L'approvazione normativa è abbastanza semplice per gli oggetti che assistono il personale medico, come i modelli anatomici, i vassoi per gli strumenti e le impugnature degli utensili, poiché il contatto con il paziente è minimo, se non nullo.

Gli oggetti interni, come gli impianti ossei, gli stent arteriosi e le valvole cardiache, sono soggetti a requisiti di sicurezza più rigorosi. L'ottenimento dell'approvazione è reso più difficile dalla mancanza di un quadro normativo completo.

Diversi enti normativi stanno lavorando allo sviluppo di standard adeguati per la stampa 3D in ambito sanitario, come ad esempio la Food and Drug Administration (FDA) statunitense. 

Per quanto confuso, uno dei vantaggi principali della stampa 3D in campo medico rende anche più difficile l'approvazione normativa e quindi il suo utilizzo più diffuso. Rispetto a un prodotto standardizzato pronto per l'uso, i dispositivi personalizzati sono molto più difficili da approvare, poiché ognuno di essi deve essere testato e certificato.

  • QUALITÀ INCOERENTE

Le stampanti 3D non stampano sempre risultati perfetti. I tassi di fallimento dipendono dalla macchina, dal materiale utilizzato e da ciò che viene stampato. Inoltre, la rimozione di eventuali irregolarità superficiali o texture può richiedere ulteriori fasi di lavorazione manuale per ottenere la finitura desiderata.

I tassi di errore e la post-elaborazione probabilmente si ridurranno man mano che le stampanti 3D miglioreranno e le persone prenderanno confidenza con questa tecnologia.

  • GRANDI VOLUMI

 In molti casi, la stampa 3D medicale può produrre un singolo articolo o un piccolo lotto di articoli in modo più rapido ed efficiente rispetto ai metodi di produzione tradizionali. Tuttavia, ogni macchina può stampare solo un certo numero di oggetti alla volta, a seconda delle dimensioni della macchina e dell'oggetto, per cui potrebbe non essere il metodo più adatto o conveniente per grandi produzioni.  

 

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