Stampa 3D protesi, impianti e innesti ossei

La produzione di protesi e ortesi è stato uno dei primi ambiti medicali in cui la fabbricazione digitale ha svelato le proprie potenzialità. Gli specialisti di ortopedia, odontoiatria (a cui è dedicata una sezione apposita), chirurgia maxillo-facciale e impianti utilizzano la stampa 3D per creare oggetti su misura progettati per le esigenze dei pazienti. Ad esempio, Silou Elle usa la tecnologia per creare reggiseni personalizzati per donne con cancro al seno dopo la chirurgia. L’aspetto della personalizzazione del custom-made è uno dei punti di forza che rendono la stampa 3D efficace in questi ambiti.

Produzione di ortesi esterne e tutori low cost tramite la comunità dei makers

Nella produzione delle protesi post-amputazione, tutori e busti c’è stato un prima ed un dopo l’esplosione del mercato della stampa 3D. Si è passati da costose protesi standard a protesi 3d-printed, realizzate con materiale plastico e/o metallico e conformati alle specifiche esigenze del singolo paziente.

Nel rapporto tra protesi e stampa 3D entra anche un fattore di innovazione sociale: le protesi sono dispositivi costosi, in particolar modo quando si parla di protesi elettro-meccaniche che devono sopperire alla mancanza di un arto grazie ad un azionamento gestito dal movimento del polso e da un sistema di tiranti azionati da impulsi elettrici. Nel mondo oltre 15mila ospedali e centri umanitari non hanno apparecchiature biomedicali adeguate. Si stima che potenzialmente un miliardo di persone nei paesi emergenti e 100 milioni in quelli industrializzati non potrebbero permettersi alcuna protesi. Grazie a costi estremamente ridotti della stampa 3D a tecnologia FDM, la fabbricazione digitale sta permettendo a migliaia di persone di dotarsi di protesi e tutori.

Questa innovazione biomedica e sociale non sarebbe possibile senza una seconda componente, quella della comunità open-source dei makers. Una comunità mondiale di esperti in fabbricazione digitale (makers), ma anche ingegneri, biotecnologi, medici e semplici curiosi, collabora nella realizzazione di ogni aspetto costruttivo della protesi, dal design al file 3D fino alla meccanica. Tutto questo materiale è reso gratuitamente disponibile sul web, quindi replicabile e migliorabile da chiunque, ma anche accessibile ovunque. Queste comunità hanno prodotto siti web, piattaforme di condivisione e forum di discussione. La prima iniziativa in questo senso è OpenHands, consultabile al sito http://www.openhandproject.org . A seguito decine di iniziative simili, come Open Biomedical Initiative, con il prodotto “Wil” fino a Open Prosthetics che propone una piattaforma dove poter condividere un modello di protesi, e che quindi funge da repository di centinaia di progetti open-source di protesi. Un iniziativa talmente efficace che la stessa Unione Europea ha provato a lanciare la propria piattaforma.

Sempre grazie ai bassi costi e alla personalizzazione, che garantisce la realizzazione di una protesi ad hoc per l’esigenza e l’anatomia del paziente, la stampa 3D ha trovato ampia applicazione anche in ambito veterinario.

La fabbricazione digitale è impiegato nella produzione di protesi anche laddove il fattore dei costi non è determinante, talvolta in soluzioni miste: diverse aziende propongono protesi realizzate con processi industriali e quindi standardizzate, ma con una componente personalizzata laddove è presente l’alloggiamento dell’elemento anatomico amputato.

Protesi custom-made stampate in 3D

Nel campo delle protesi custom-made la tecnologia di stampa tridimensionale trova una grande e diffusa applicazione, in particolar modo in ortopedia oncologica e nelle complesse ricostruzioni protesiche con perdita di sostanza.

La protesi “custom made” si può impiantare su pazienti con determinate caratteristiche e patologie: è indicata soprattutto nei casi di particolari deformità articolari, legate ad artrosi causata da traumi o malattie congenite. Prima di intervenire si esegue una tac per avere una ricostruzione tridimensionale dell’articolazione e ottenere un impianto disegnato sulla conformazione anatomica del paziente, quindi perfettamente “su misura”.

Da diversi anni sono presenti in commercio sistemi di ricostruzione protesica che permettono il riempimento dei gap dopo resezione di tumori primitivi e secondari dell’apparato scheletrico. Tali sistemi sono estremamente efficaci negli arti, dove grazie alla modularità riescono a riprodurre la maggior parte delle possibili varianti anatomiche. In segmenti anatomicamente più complessi, quali il bacino e la scapola o le ossa/articolazioni del tarso e del carpo, non sono disponibili delle protesi modulari veramente efficaci per cui occorre ricorrere all’utilizzo di protesi composite, cioè derivanti dall’assembramento di un innesto osseo omologo massivo e una protesi, oppure a protesi custom made. Sebbene ancora non esistano in letteratura studi prospettici randomizzati, è verosimile pensare che le protesi custom made possano permettere un carico precoce, e una maggiore durata nel tempo non andando incontro ai processi di riassorbimento tipici degli innesti.

Già dal 2015 l’Istituto Ortopedico Rizzoli di Bologna utilizza protesi custom-made, realizzate in titanio trabecolare tramite stampa 3D. Il grande vantaggio è la ricostruzione più appropriata possibile dal punto di vista anatomico dei rapporti tra le componenti anatomiche. Ad esempio una ricostruzione accurata tra femore e bacino del paziente permette una deambulazione corretta dopo l’intervento.

Sempre in Italia, nel 2007, per la prima volta al mondo è stato sviluppato e impiantato con successo un componente acetabolare  stampato in 3D (coppa dell’anca) in un paziente umano, grazie al lavoro del chirurgo italiano Dr. Grappiolo, insieme all’azienda scandinava Arcam (ora parte di GE).

Una protesi d’anca è un articolazione artificiale, composta da uno stelo femorale con una testa (sfera) e una coppa acetabolare (cotile ed eventuale inserto). La coppa è quindi la parte semisferica che ospita la testa del femore, la componente a sfera rotante che consente gran parte del movimento multidirezionale della gamba. La superficie esterna della coppa si attacca all’anca del paziente e fissa l’intero impianto in posizione. Questa superficie intenzionalmente irregolare stampata in 3D in metallo promuove l’adesione ossea e stimola la crescita cellulare tra queste parti. A 10 anni di distanza, più di 100.000 impianti di coppa dell’anca sono stati stampati in 3D del produttore scandinavo, con più di 600 impiantati dallo stesso dottor Grappiolo.

Per quanto riguarda la durata, il chirurgo italiano ritiene che l’impianto potrebbe durare l’intera vita del paziente. Sebbene non ci sia ancora modo per dimostrarlo, l’impianto del primo paziente di Grappiolo, del 2007, attualmente non presenta problematiche particolari.

Consulta due modelli di protesi open-source su Thingiverse: anca e ginocchio.

Impianti spinali: il fiore all’occhiello della fabbricazione digitale nell’ortopedia

Uno dei maggiori problemi degli impianti contemporanei ricade nell’insufficiente osteointegrazione e conseguente rischio di mobilizzazione. Problema molto evidente in casi come le protesi usate per la ricostruzione dopo le sezioni di tumori dell’area sacro-iliaca: l’interfaccia osso-protesi è verticale, quindi sottoposta a forte carico, rendendo la fissazione all’osso sacro sempre problematica.

Una nuova tecnologia sembra poter risolvere queste problematiche: la Lamellar Titanium Technology, sviluppata dall’azienda K2M, che fa uso di avanzate tecniche di stampa 3d al fine di realizzare impianti spinali basati su biomateriale grezzo e poroso con la finalità di promuovere la crescita ossea. Di fatto con la stampa 3D vengono create delle strutture composite che sfruttano la stabilità strutturale fornita dal titanio e l’osteointegrazione indotta da supporti bioattivi.

La tecnologia Lamellar Titanium Technology è utilizzata in diversi prodotti derivati: ad esempio una azienda statunitenze propone un sistema di “gabbie” espandibili per corpectomia espandibile, finalizzate alla stabilizzazione della colonna vertebrale in caso di resezioni del corpo vertebrale derivanti da traumi o tumori. Questa tecnologia incorpora 500 µm di canali longitudinali in tutto l’impianto che, insieme alle finestre trasversali, creano un reticolo interconnesso progettato per consentire l’integrazione ossea.

Se vuoi approfondire il concetto alla base della tecnologia del metallo lamellare puoi consultare questo articolo scientifico su Nature.

Colonna vertebrale stampata in 3D

Lo Shanghai Changzheng Hospital è stato protagonista di un complesso intervento chirurgico, della durata di 12 ore, che ha permesso l’impianto di una sezione della colonna vertebrale lunga 15 cm, stampata in 3D. Il team di medici ha impiantato con successo una protesi vertebrale di titanio in una paziente affetta da cordoma, una rara forma di tumore osseo primario che si verifica lungo la colonna vertebrale,  molto spesso nella base della spina dorsale o alla base del cranio.

La realizzazione della protesi, costituito un sistema integrato di sei vertebre, ha impiegato 4 settimane anziché 4 mesi, evidenziando i vantaggi della stampa 3D in termini di personalizzazione e tempistiche. In questo caso il team dello Shanghai Changzheng Hospital, guidato dal Professor Xiao Jianru, ha utilizzato la stampa 3D anche in un ulteriore modo: la realizzazione di un modello in scala 1:1 della parte affetta a tumore, utilizzandola in fase pre-operatoria per pianificare l’intervento. Ma la pianificazione pre-chirurgica sarà l’argomento della successiva lezione.

Le ortesi plantari stampate in 3D

Le ortesi plantari sono dispositivi medici, realizzati su misura, vengono prescritte e impiegate per migliorare l’assetto del piede. Sono applicate in vari ambiti: podologico, ortopedico, neurologico, reumatologico, prevenzione del piede diabetico. Tradizionalmente sono realizzate mediante tecniche artigianali, quindi con specifiche competenze manuali e lunghi tempi di produzione. Partendo da una scansione 3D (laser o a luce strutturata) del piede, è possibile realizzare il modello 3D di base.

Tramite strumenti di rilievo stabilometrici e baropodometrici è possibile effettuare una valutazione anatomica e funzionale del piede, così da poter effettuare ottimizzazioni e variazioni di riempimenti al modello 3D, agendo con un software di modellazione CAD. Questa operazione consente di ottenere un comfort ottimale e una maggiore resistenza e sicurezza. Il file 3D così lavorato può essere inviato alla stampa. Questa può essere realizzata anche con stampanti semi-professionali, utilizzando materiali come il TPU o Polipropilene.