La stampa 3D in medicina: tecnologia sopravvalutata o reale strumento di supporto clinico?

La stampa 3D in medicina: tecnologia sopravvalutata o reale strumento di supporto clinico?

La stampa 3D una tecnologia che nasce intorno al 1986 con lingegnere e inventore statunitense Chuck Hull, il primo di fatto a inventare la Stereolitografia ossia una particolare tecnica di stampa 3D che utilizza la resina come materiale di stampa.

Non affatto scontato che tutti conoscano il significato di Stampa 3D e non certo improbabile che qualcuno possa pensare che la Stampante 3D sia semplicemente una normale stampante per fogli di carta semplicemente un po pi evoluta. Questo non certo per ignoranza sul tema ma semplicemente perch questa tecnologia, sebbene sia oggi diffusissima in tutto il mondo, rimane ancora unapplicazione di nicchia.

Il mercato della stampa 3D stato valutato circa 12 mila miliardi di dollari nel 2020 negli Stati Uniti con un tasso di crescita annuo previsto intorno al 17% tra il 2020 e il 2023 [1]. Stiamo per parlando di stampa 3D in generale, quella cio che interessa tutti gli ambiti industriali. Se confinassimo la nostra analisi al solo settore biomedicale invece la stampa 3D ha un mercato stimato intorno ai 2,4 mila miliardi di dollari [2].

La Stampa 3D una tecnologia che permette di creare oggetti fisici a partire da progetti 3D virtuali. Si parte cio da un modello 3D realizzato al computer il quale viene poi inviato alla stampante che lo produce fisicamente in vari materiali. Questa tecnologia dirompente perch permette a tutti di creare oggetti personalizzati e richiede delle infrastrutture relativamente accessibili senza enormi costi di acquisto e di gestione. La possibilit di personalizzazione degli oggetti che la stampante 3D offre stata immediatamente intercettata dal settore biomedicale dove la customizzazione dei dispositivi gioca spesso un ruolo cruciale nei processi di cura.

Nel settore biomedicale luso della Stampa 3D risale a circa 30 anni fa, precisamente nel 1990 quando questa tecnologia iniziava ad essere utilizzata nel settore dentale. Successivamente anche la protesica ortopedica ha sfruttato le potenzialit delle stampanti 3D per produrre i primi prototipi di protesi paziente-specifiche. Lodontoiatria rimane per di fatto la disciplina pioniera delluso del 3D printing in medicina, disciplina che ha saputo applicare direttamente alla pratica clinica i prodotti ottenuti tramite questa tecnologia.

Alla fine degli anni 90 la stampa 3D iniziava a suscitare linteresse dei medici e dellingegneria biomedica che vedeva in questa tecnica una grande possibilit di sviluppo nellambito clinico e biomedico. Sviluppo che, tuttavia, non era ai tempi ben inquadrato e orientato. Si percepiva fortemente la potenzialit di questi strumenti innovativi ma non se ne conoscevano nel dettaglio gli ambiti clinici concreti in questa poteva essere applicata. Solo successivamente la stampa 3D inizia ad essere utilizzata per la produzione di modelli anatomici ricavati da immagini radiologiche i quali svolgeranno un ruolo molto rilevante nella pianificazione pre-operatoria di casi clinici complessi, ruolo che tali modelli tuttoggi rivestono.

Motivi per cui la Stampa 3D considerata una tecnologia importante nellambito biomedicale
Di fronte a ogni innovazione tecnologica si riscontrano sempre approcci contrastanti. C chi sposa le innovazioni accogliendole con interesse e chi le respinge a causa di una scarsa predisposizione ad abbandonare i protocolli tradizionali che svolgono un ruolo a volte troppo rassicurante. Sin dal momento della sua introduzione anche la stampa 3D in medicina ha determinato questi due sentimenti di accettazione e rifiuto. Il rifiuto viene generalmente anteposto allapprofondimento della tecnologia innovativa e pertanto mosso quasi esclusivamente da una presa di posizione aprioristica sulla presunta scarsa utilit clinica di metodiche cos innovative (e magari low-cost) rispetto ai pi consolidati capisaldi tradizionali della pratica medica.

La Stampa 3D generalmente riconosciuta come una innovazione tecnologica di assoluto interesse nei contesti clinico, biomedico e di cura del paziente anche se ad oggi essa presente solo in pochi centri ospedalieri che sono generalmente quelli a pi alta complessit, questo a causa delle competenze che la stampa 3D in medicina richiede sia in termini di uso di strumenti software di ricostruzione anatomica 3D e sia in termini di uso della stampante stessa. Rispetto a 10 anni fa per le cose stanno cambiando e molti centri ospedalieri hanno gi acquisito questi strumenti che sono entrati a far parte della routine quotidiana di cura e diagnosi dei pazienti. Altri invece stanno ipotizzando la nascita di piccoli laboratori 3D allinterno di ospedali e strutture sanitarie da utilizzare quando si presentano allattenzione del team chirurgico casi clinici complessi che richiedono un approccio e unanalisi pi evoluta.

Tutta la letteratura scientifica in merito alluso della tecnologia 3D in medicina comunque concorde nel dire che questa innovazione tecnologica consente di:

Risparmiare tempi operatori
Ridurre pericoli intra e post operatori per il paziente (sanguinamento, tempi anestesiologici)
Migliorare le performance chirurgiche degli operatori potendo questi eseguire lintervento prima su modello e poi su paziente.
Migliorare la comprensione di condizioni patologiche complesse soprattutto nellambito cardiochirurgico, chirurgico toracico, ortopedia e chirurgia maxillo facciale;
Migliorare la comunicazione dei casi clinici tra i membri del team medico e paramedico;
Migliorare la comunicazione medico paziente finalizzata ad una maggiore comprensione del consenso informato.
Applicazioni cliniche della stampa 3D nel settore biomedicale
Da una veloce revisione della letteratura scientifica biomedica su Pubmed relativamente al tema della Stampa 3D in medicina negli ultimi 10 anni otteniamo circa 17 mila risultati di ricerca. Questo dimostra lattenzione notevole che la comunit scientifica rivolge a questa tecnologia applicata al settore biomedicale.

Oggi la stampa 3D in medicina applicata clinicamente in numerosi contesti e specialit mediche. Se volessimo stabilire un ordine di specialit mediche che utilizzano attivamente questa tecnologia ordinandole in ordine decrescente per intensit di utilizzo avremmo che lOdontoiatria e la Chirurgia Maxillo Facciale occuperebbero senzaltro il primo posto, seguite dallOrtopedia, Cardiochirurgia, Chirurgia Generale e Neurochirurgia.

Questordine preciso deriva da una serie di considerazioni molto pratiche sulle caratteristiche proprie della stampa 3D. La stampante 3D infatti uno strumento che riesce a produrre molto bene modelli rigidi, non particolarmente complessi e normalmente privi di cavit difficili da stampare. Pi difficile invece stampare parti anatomiche in materiali morbidi volti a simulare i tessuti molli.

Lodontoiatria e la chirurgia maxillo facciale in effetti hanno interesse alla stampa 3D delle arcate dentarie e delle ossa del cranio, entrambe parti anatomiche non particolarmente difficili da riprodurre tramite Stampa 3D sia per la consistenza rigida di queste parti sia per la geometria non particolarmente articolata.
Lodontoiatria utilizza la stampa 3D per numerosissime applicazioni cliniche rivolte direttamente al paziente. Parliamo della produzione di guide chirurgiche per implantologia, modelli di allineatori ortodontici invisibili, bite dentali, denti provvisori stampati in 3D con resine in grado di rimanere nel cavo orale per lunghi periodi.
La chirurgia maxillo facciale utilizza questa tecnologia per la stampa 3D di parti anatomiche del distretto cranio facciale finalizzate sia allo studio preoperatorio dei casi clinici ma anche alla pre-piegatura delle placche metalliche di osteosintesi direttamente sulla stampa 3D anzich sul paziente, risparmiando cos circa il 40% del tempo operatorio per ogni singolo intervento chirurgico.


La Cardiochirurgia e la Chirurgia Generale sono due discipline che utilizzano molto la stampa 3D per la produzione di modelli anatomici ricavati da immagini radiologiche (TAC e RMN) finalizzate principalmente alla pianificazione chirurgica. La neurochirurgia invece si pone allultimo posto perch le dimensioni molto contenute delle strutture anatomiche del cervello rende non sempre utile una visualizzazione prechirurgica del caso clinico tramite modello anatomico stampato in 3D. Piuttosto per la Neurochirurgia ha particolare importanza luso della Realt Virtuale e della Realt Aumentata, due scenari di innovazione tecnologica di notevole impatto nel settore medicale.

Quando parliamo di stampa 3D nellambito biomedicale fondamentale tenere presente che nella maggior parte dei casi si sta parlando di produzione di modelli anatomici non impiantabili, stampati in materiali non biocompatibili finalizzati esclusivamente allo studio pre operatorio di casi clinici che interessano la chirurgia complessa. E quindi molto rilevante tenere presente che tutte le specialit mediche che usano la stampa 3D nella loro routine clinica sono orientate alluso di modelli anatomici per approfondire diagnosi complesse al fine di facilitare il percorso chirurgico del paziente potendo contare su un aumento della preparazione chirurgica del medico grazie ad un training realizzato prima sui modelli anatomici paziente specifici e, solo alla fine, sul paziente. E facile immaginare quindi quanto questa tecnologia assuma rilevanza nel contesto del training per giovani chirurghi in formazione spesso impossibilitati a svolgere esercitazioni hands-on su cadavere o su animale.

Tuttavia una buona parte della produzione biomedica in stampa 3D riservata proprio a dispositivi impiantabili con enormi benefici in termini di compliance del paziente ad interventi chirurgici complessi. Stiamo parlando ad esempio di dispositivi per la ricostruzione di difetti della teca cranica generalmente stampabili in 3D in biopolimero e applicabili direttamente su paziente, oppure di protesi metalliche custom made prodotte tramite stampanti 3D che usano polveri di titanio per realizzare fisicamente una protesi precedentemente disegnata da ortopedici e ingegneri biomedici sulla base di dati radiologici del paziente.

Spingendoci su applicazioni pi complesse possiamo riportare i casi di stampa 3D di dispositivi biocompatibili e biodegradabili per il ripristino del diametro bronchiale in pazienti affetti da patologie degenerative come la tracheobroncomalacia. Si tratta di dispositivi aventi geometria semicilindrica stampati in 3D con biopolimeri quali Policaprolattone il quale presente biocompatibilit e tempi di biodegradabilit controllati. Tali dispositivi vengono impiantati esternamente alla parete bronchiale con la finalit di esercitare una trazione radiale sulla parete bronchiale in grado di mantenere pervia la via aerea interessata da fenomeni malcico-degenerativi. Il dispositivo cos prodotto viene innestato direttamente in vivo nel paziente e determiner, come fenomeno di risposta infiammatoria, la formazione di tessuto fibroso peribronchiale. Tale circostanza fisiologica consente al bronco di riacquisire una certa rigidit strutturale che si manterr stabile nel tempo in grado di riconferire la funzione aerea al bronco evitando cos ai pazienti il ricorso quotidiano alla ventilazione meccanica.

Questultima applicazione del 3D printing in medicina si pu considerare altamente specialistica, quasi di frontiera, ma di fatto rappresenta il futuro di questa tecnologia in medicina. La stampa 3D una innovazione tecnologica che ha enormi potenzialit per avvicinarsi sempre di pi alla rigenerazione tissutale e allemulazione dei tessuti biologici. Si arriva cos al Bioprinting evoluzione massima della tecnologia 3D in grado di stampare cellule e materiale extracellulare al fine di rigenerare tessuti danneggiati.

Appropriatezza Clinica: evitare la spettacolarizzazione del 3D Printing in medicina
Uno dei pericoli principali a cui la tecnologia 3D printing in un contesto ospedaliero va incontro quella della spettacolarizzazione dei risultati. Come gi anticipato in un precedente articolo, la stampa 3D di parti anatomiche derivate da immagini radiologiche del paziente suscita grande interesse non solo dal punto di vista scientifico ma anche dal punto di vista mediatico. In generale vedere un organo di una persona reale stampato in 3D genera curiosit che a volte pu diventare un preteso scientificamente poco ortodosso per richiedere la produzione di modelli anatomici senza alcun criterio di appropriatezza clinica.

Luso di stampanti 3D in contesti ospedalieri richiede la definizione di un budget da allocare a tali attivit oltre alla presenza di personale specializzato (spesso ingegneri biomedici) con competenze specifiche per governare questo tipo di attivit. Per questi motivi e per evitare che uno strumento utile alla clinica e al miglioramento delle condizioni cliniche dei pazienti possa diventare uno strumento finalizzato ad appagare la curiosit personale fondamentale stabilire un criterio di appropriatezza clinica nelluso dei modelli anatomici di stampa 3D.
Non sempre infatti la stampa 3D pu contribuire a fornire un valore aggiunto ad una valutazione clinica o ad un intervento chirurgico complesso. A volte tutto ci che viene offerto dalla radiologia tradizionale pienamente sufficiente a rispondere ai quesiti diagnostici e a orientare la strategia chirurgica. In queste circostanze risulta pertanto inappropriato approfondire con applicazioni di livello superiore come la Stampa 3D. In molti altri contesti invece la disponibilit di una stampa 3D della parte anatomica del paziente oggetto di studio cruciale per stabilire la giusta strategia chirurgica e per comunicarla al resto del team.

Lappropriatezza clinica unita al buon senso del riconoscere a questa tecnologia un valore importante nel processo diagnostico e di cura sono le basi per non sminuirne le potenzialit e per valorizzare linnovazione tecnologica mantenendo il focus sullunico grande obiettivo finale che il miglioramento delle condizioni cliniche del paziente.

by Popular Science 24 Gennaio 2022 Redazione

Bibliografia

[1] https://www.statista.com/statistics/315386/global-market-for-3d-printers/#:~:text=The%20worldwide%20market%20for%203D,patents%20in%20the%20United%20States

[2] https://www.marketsandmarkets.com/Market-Reports/3d-printing-medical-devices-market-90799911.html

di

Aurelio Secinaro, Responsabile Radiologia Toracica e Cardiovascolare Avanzata, Coordinatore del Laboratorio 3D, Ospedale Pediatrico Bambino Ges, Roma

Luca Borro, Ingegnere Biomedico, Laboratorio 3D, Ospedale Pediatrico Bambino Ges, Roma
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