FUSIONE A FASCIO DI ELETTRONI (EBM)

Il processo EBM (Electron Beam Melting) è una nuova tecnica di produzione additiva con grande capacità di fabbricazione di impianti in Ti-6Al-4V denso e poroso con un migliore controllo sia sulla struttura interna che sulla forma esterna.107,108

Proprio grazie a questo maggior controllo sulla morfologia dell’impianto possiamo ottenere dimensioni e forme specifiche per ogni singolo caso. Tale specificità è necessaria soprattutto per le ossa irregolari (clavicola, scapola, e ileo) che hanno dimensioni uniche nei vari pazienti.

Un altro vantaggio è che il processo di produzione EBM è molto più veloce rispetto ai metodi di produzione tradizionali. Infatti esso semplifica notevolmente le fasi di lavorazione e riduce in maniera consistente i tempi di fabbricazione anche grazie all’utilizzo dell’energia di un fascio di elettroni, che segue un input di dati CAD.72,74

Per creare il file CAD il paziente viene studiato tramite le immagini TC, RMN e anche con la loro fusione. Queste rappresentano l’input che viene archiviato secondo lo standard DICOM. Da ciò si estrapola poi il modello su cui basare la progettazione dello scaffold tramite specifici software delle macchine 3D.

Bisogna considerare che spesso l'invasione tumorale distrugge parzialmente o totalmente le strutture ossee interessate. Le immagini della sede tumorale possono quindi non risultare adatte per la progettazione della protesi. In questo scenario, vengono utilizzate le immagini del sito anatomico controlaterale per creare un modello a specchio 3D per la progettazione. Dopodiché in condizioni virtuali, viene simulata l’asportazione del tumore e la successiva ricostruzione tramite protesi fissata al sito del difetto osseo. Ciò è possibile grazie alla pianificazione preoperatoria di vari parametri chirurgici quali: i margini di sicurezza, i piani di taglio, la posizione dell'impianto e i siti delle viti di fissaggio.72

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Una volta importato il modello CAD su cui basare la progettazione si passa alla stampa 3D. Il processo EBM inizia dunque con un file di progettazione CAD di una componente tridimensionale, che viene salvato come dati Standard Template Library (STL) dal software che controlla la macchina EBM (ad es. il software Mimics) e sezionato in fette bidimensionali adeguate al processo di fabbricazione.

Solitamente viene aggiunto ogni volta uno strato di polvere da 50 µm a 200µm di spessore e una trave elettronica controllata dal computer scansiona la superficie, sciogliendo selettivamente la polvere tramite il fascio di energia concentrata. Il fascio di elettroni viene direzionato verso la superficie secondo due direzioni di scansione fisse, perpendicolari l'una all'altra, e predeterminate dal modello iniziale in maniera tale da distribuire il calore in modo più uniforme possibile.

Ogni strato viene prima riscaldato scandendo il fascio a bassa potenza e ad alta velocità per sinterizzare leggermente le particelle. La polvere sinterizzata che circonda la componente aiuta a sostenere le superfici rivolte verso il basso durante il processo di costruzione cosicché lo scaffold venga costruito dal basso, dove troviamo gli strati già fusi insieme secondo il modello CAD, verso l’alto, dove avremo l’aggiunta di nuova polvere e la sua fusione al resto della struttura.

Tutto il processo di costruzione avviene all’interno di una camera a vuoto in modo da evitare eventuali impurità all’interno delle leghe di titanio.

Figura 9. Schema macchina EBM con vista della scansione del fascio di elettroni sul letto di polvere metallica80

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Dopo il processo di EBM, i campioni vengono lasciati nel letto di polvere isolante nella camera a vuoto per ottenere un lento tasso di raffreddamento. I campioni solitamente sono raffreddati a 150°C per 11 ore e vengono quindi prelevati dalla camera e raffreddati a temperatura ambiente in aria.109 Successivamente, la polvere residua nella protesi viene rimossa mediante trattamento acido e lavaggio ad ultrasuoni. Infine, la protesi viene sterilizzata e confezionata per l’uso.72

Figura 10. Workflow della creazione di protesi custom-made72

Questa tecnica permette di realizzare forme libere e strutture porose, controllando la dimensione e la strutturazione dei pori per soddisfare una varietà di esigenze e di applicazioni diverse. Recentemente, la procedura è stata utilizzata per la fabbricazione di impianti porosi che sono stati portati ad avere proprietà biologiche, fisiche e meccaniche favorevoli.78,104

L'impianto in titanio poroso EBM non solo permette un’ottima integrazione con i tessuti dell’ospite ma evita anche gli effetti di riassorbimento osseo dovuto allo shear stress grazie a proprietà meccaniche simili a quelle dell'osso nativo e grazie alla sua specificità, che gli permette di combaciare perfettamente anche con i difetti irregolari dei siti da ricostruire. La struttura porosa è l’espediente che aiuta a ridurre le discrepanze meccaniche tra gli impianti metallici e il tessuto osseo ospite. Gli impianti ottimali dovrebbero fornire un buon ambiente meccanico per la funzione iniziale e il rimodellamento appropriato del tessuto in rigenerazione, garantendo contemporaneamente una sufficiente porosità per la migrazione cellulare e per la crescita dei tessuti. In generale bisogna tenere conto del fatto che con l'aumento della porosità dell’impianto, si ha una diminuzione della rigidità e della resistenza alla compressione.79

Infine al momento è ancora in studio la possibilità di migliorare le prestazioni biologiche dell'impianto titanico trattandole chimicamente e termicamente e/o rivestendolo con materiali bioattivi.

Jalota et al. hanno studiato la proliferazione degli osteoblasti sulle superfici rivestite di titanio e sulle superfici rivestite di apatite. È stato concluso che il contatto osseo diretto era

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significativamente più elevato per il Ti6Al4V denso ricoperto di apatite ossea piuttosto che per quello non rivestito.110

Takemoto et al. hanno riferito che il titanio poroso bioattivo raggiunge la crescita dell'osso ad una profondità di 3 mm entro 4 settimane dall'impianto e che questa continua ad aumentare durante le 16 settimane successive, mentre l'ingestione ossea negli impianti non trattati tendeva a diminuire tra le 4 e le 8 settimane.111

Invece nello studio di Li et al. il titanio poroso di protesi create con stampa EBM ha esercitato un notevole e continuo aumento della formazione dell'osso durante tutto l'esperimento. Sebbene diversi studi suggeriscano che potrebbe essere necessario trattare ulteriormente il titanio, l’ingrowth dell'osso all'interno degli impianti con e senza rivestimento di apatite è risultato essere simile.104