Ilaria Campioni
Ingegnere biomedico, Roma
La manifattura additiva – Additive Manufacturing (AM) ha trovato negli ultimi anni sempre maggiore applicazione nei contesti sanitari e nell’industria biomedicale sia per l’attraente possibilità di realizzare dispositivi specifici per il paziente, appositamente pensati per adattarsi a distretti anatomici o per specifiche funzioni, sia per altri impieghi attualmente più diffusi, quali l’elaborazione di modelli per pianificazione chirurgica, per finalità informativa per i pazienti e per la formazione del personale medico.
Da un punto di vista economico, l’introduzione della stampa tridimensionale (3D) in senso più ampio ha avuto un grande impatto nel settore medicale.
Le recenti valutazioni di Frost e Sullivan prevedono infatti che il solo mercato globale dei materiali di stampa 3D per il settore sanitario raggiunga 568,5 milioni di dollari entro il 2024, con un tasso annuo di crescita composto (Compound Annual Growth Rate – CAGR) impressionante, del 20,3% tra il 2018 e il 2025 (1).
In realtà, quando si parla di stampa 3D e delle tecniche additive, inverse rispetto ai tradizionali metodi sottrattivi, non si fa riferimento a una sola tipologia di processo ma a una serie di tecniche e sistemi di manifattura per la realizzazione di oggetti tridimensionali anche molto diversi tra loro quali quelli a estrusione Fused Deposition Modeling (FDM), a base di fotopolimeri liquidi solidificabili – sistemi PolyJet, a sinterizzazione laser selettiva (Selective Laser Sintering, SLS), solo per citarne alcuni. Inoltre, si fa riferimento a una grande varietà di materiali, polimeri, metalli, ceramici, compositi ecc.
Ciascuna metodologia e ciascun sistema di stampa è caratterizzato da specifici parametri il cui controllo efficace e appropriato determina il buon esito del prodotto finito.
La natura variegata di tali processi implica la necessità di elaborare nuove forme di controllo, verifica e validazione che tengano conto della specificità di ciascuna fase, dalla progettazione fino alla realizzazione ultima, in particolare quando il dispositivo finale si configura come dispositivo medico.
I dispositivi medici realizzati mediante AM, infatti, come quelli realizzati mediante altri metodi di manifattura, devono soddisfare i requisiti di qualità e conformità di fabbricazione nel rispetto di quanto previsto dalle normative e legislazioni vigenti e nelle varie fasi coinvolte.
Nel contesto internazionale statunitense, è stata pubblicata nel 2017 dalla U.S. Food and Drug Administration (FDA) una linea guida (2) contenente indicazioni tecniche per i dispositivi medici realizzati mediante manifattura additiva riguardanti i processi di: design, manifattura, validazione, test e caratterizzazione finale del dispositivo. In particolare, include specifiche sezioni che interessano il software workflow, il controllo dei materiali, il post-processing, la validazione dei processi e le modalità di test del dispositivo. Tali indicazioni tecniche costituiscono elementi rilevanti nell’ambito della valutazione dei prototipi e dispositivi prodotti mediante AM.
La fase di progettazione, a partire dalla creazione del modello CAD (Computer Aided Design), deve essere appositamente pensata per poter essere realizzata mediante sistemi di stampa 3D.
Metodologie numeriche computazionali, quali l’analisi a elementi finiti (FEA) possono essere utilizzate a supporto della progettazione, sia per la definizione del corretto design sia per la verifica delle proprietà meccaniche e funzionali (3, 4). Elementi di dettaglio, così come la presenza di fori, superfici piane, specifiche curvature, spessori, devono essere opportunamente determinati tenendo conto dei limiti propri dei sistemi AM.
Il processo di produzione include una serie di variabili che se non adeguatamente definite possono compromettere l’esito finale. La stessa conversione del modello CAD in formati supportati dai sistemi di stampa quali l’STL (STereoLithography) può comportare perdite di informazioni. Fattori quali la direzione di stampa, la posizione degli oggetti nel piano, la scelta degli elementi di supporto, i materiali di stampa, i parametri di sistema, così come le condizioni ambientali, possono influire nel processo di produzione e sono stati discussi e presentati con esempi applicativi per diversi sistemi e metodologie AM quali FDM, PolyJet e SLS. La durata dell’intero processo di stampa così come le reali proprietà meccaniche dell’oggetto stampato e la qualità finale sono legate alla gestione e al controllo di tali fattori.
Pertanto, la caratterizzazione finale e validazione di quanto progettato e prodotto è necessaria per un potenziale utilizzo reale in ambito medicale. Prototipi realizzati mediante manifattura additiva, quali quelli progettati per applicazioni in chirurgia maxillofacciale, possono avere anche dimensioni e spessori critici per i sistemi additivi (5).
A tal fine, tecniche distruttive e non distruttive permettono di valutare la qualità degli oggetti realizzati. La microtomografia computazionale (micro-CT) solitamente applicata nell’analisi delle strutture ossee e biomateriali (6-10), come tipologia di analisi non distruttiva, trova applicazione anche per la valutazione di manufatti stampati in 3D sia per quanto attiene l’analisi morfologica che per la verifica di accuratezza finale (5). Allo stesso tempo, tecniche distruttive quale l’impiego delle tradizionali prove meccaniche, mantengono l’importante ruolo di permettere la verifica effettiva delle caratteristiche meccaniche finali e nelle fasi precedenti il post-processing. Quest’ultimo processo, è rilevante per la qualità finale e la sua verifica è essenziale per i vari aspetti coinvolti quali l’accuratezza, la finitura superficiale, le proprietà meccaniche e la funzionalità.
La lezione ha avuto come obiettivo la presentazione di alcuni elementi caratterizzanti il processo di produzione di prototipi di dispositivi medici mediante l’utilizzo delle tecniche di manifattura additiva, dalla progettazione fino alla realizzazione e relativa verifica, tenendo conto dell’attuale quadro normativo regolatorio in cui tale tipologia di dispositivi sono collocati, sia nel contesto europeo che in quello statunitense. Le principali criticità, inerenti alle diverse tecniche di stampa 3D e AM, sono state evidenziate anche mediante la presentazione di esempi applicativi in particolare nel settore della chirurgia maxillofacciale. Sono state discusse alcune metodologie, tecniche di progettazione e valutazione (CAD, FEA, micro-CT, prove meccaniche sperimentali), con il principale obiettivo di poter effettuare la verifica della qualità dei dispositivi in tutte le fasi del processo produttivo e per la loro validazione, al fine di un possibile impiego per applicazioni mediche.
Bibliografia
1. Frost e Sullivan. Global 3-D printing materials market for healthcare applications, forecast to 2025.
Rockville, USA: Frost e Sullivan. 2019. Disponibile all’indirizzo: https://store.frost.com/global-3-d-printing-materials-market-for-healthcare-applications-forecast-to-2025.html
2. CDRH. Technical considerations for additive manufactured medical devices–guidance for industry and food and drug administration staff. Maryland: Food and Drug Administration; 2017.
3. Campioni I, Notarangelo G, Andreaus U, Ventura A, Giacomozzi C. Hip prostheses computational modeling: FEM simulations integrated with fatigue mechanical tests. In: Andreaus U, Iacoviello D.
(Ed.). Biomedical imaging and Computational Modeling in Biomechanics. Lecture Notes in Computational Vision and Biomechanics, Springer, Dordrecht. 2012;4:81-108.
4. Campioni I, Andreaus U, Ventura A, Giacomozzi C. Hip prostheses computational modeling:
Mechanical behavior of a femoral stem associated with different constraint materials and configurations. Computational Modelling of Objects Represented in Images: Fundamentals, Methods and Applications III–Proceedings of the International Symposium. CompIMAGE. 2012;277-80.
5. Campioni I, Cacciotti I, Gupta N. Additive manufacturing of reconstruction devices for maxillofacial surgery: design and accuracy assessment of a mandibular plate prototype. Ann Ist Super Sanità 2020;
56(1):10-18.
6. Bedini R, Pecci R, Marinozzi F, Bini F, Rizzo, G, Campioni I. Valutazione morfometrica e strutturale dell’architettura del tessuto osseo trabecolare del collo del femore: analisi microtomografica. Roma:
Istituto Superiore di Sanità; 2018 (Rapporto ISTISAN 18/7).
7. Campioni I, Pecci R, Pepe E, Bedini R. Metodiche computazionali: studio di fattibilità per l’analisi di strutture osso-biomateriale. In Bedini R, Pecci R, Meleo D, Meli P (Ed.). 2° Convegno Nazionale FORM. Forum On Regenerative Methods. Le metodiche rigenerative nel Servizio Sanitario Nazionale: applicazioni attualmente utilizzate. Roma: Istituto Superiore di Sanità; 2015 (ISTISAN Congressi 15/C1). p.7.
8. Bedini R, Pecci R, Meleo D, Campioni I. Bone substitutes scaffold in human bone: comparative evaluation by 3d micro-ct technique. Applied Sciences 2020;10:345.
9. Meleo D, Bedini R, Pecci, R, Mangione F, Pacifici L. Microtomographic and morphometric characterization of a bioceramic bone substitute in dental implantology. Ann Ist Super Sanità 2012;
48(1):59–64.
10. Campioni I, Pecci R, Bedini R. Ten years of micro-CT in dentistry and maxillofacial surgery: a literature overview. Applied Sciences 2020;10(12):4328.