Sintesi finale

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Una vera e propria rivoluzione è in atto, anche se è ancora poco appariscente agli occhi di molti: la stampa 3D in medicina è ormai una realtà che permettere una migliore gestione a 360 gradi della malattia e del suo impatto sul paziente.

Questa tecnica produttiva ha cambiato radicalmente la prospettiva di come gli ingegneri progettano una produzione: niente più stampi e assemblaggio di pezzi diversi, l’oggetto stampato 3D è realizzato artificialmente in un unico pezzo a partire dal disegno virtuale tramutato in file di stampa, sostiene Marinella Levi, che dirige il +Lab del Politecnico di Milano. “La stampa 3D è il caso più vicino al teletrasporto. La stampa 3D serve a fare qual che serve quando serve”, ha esemplificato.

Lo sterno artificiale è uno dei tanti tipi di protesi ottenibili mediante la tecnologia 3D ed io ho deciso analizzarlo a fondo e da diversi punti di vista in questo blog curato in parallelo ad un corso che sto seguendo al Politecnico di Torino: “Storia delle cose, anatomia e antropologia degli oggetti”. 

Questo tipo di protesi, che costituisce un importante esempio di come l'artificiale permetta miglioramenti ed innovazioni  in campo medico, è realizzata mediante un processo di stampaggio 3D in Titanio con una tecnologia PoreStar che inserisce all'interno pori in polietilene modificato, per facilitare l'integrazione del tessuto. La tecnologia 3D consente un'elevata personalizzazione e una prototipazione rapida, che può fare una grande differenza per pazienti in lista di attesa. I modelli realizzati sono unici e con dimensioni differenti poiché la progettazione e la stampa avvengono su misura a seconda della corporatura del paziente su cui dev'essere impiantato, in tutti i casi vengono sempre rispettate le dimensioni e la struttura anatomica originaria. Il processo di creazione è stato ben schematizzato con una mappa e approfondito con un video. Lo sterno artificiale ha, inoltre, diverse funzionalità, essendo una parte fondamentale della gabbia toracica,  concorre alla protezione di: cuore, polmoni, esofago e vasi sanguigni situati nel torace e svolge una fondamentale azione di supporto per le clavicole e le cartilagini costali.

Esistono diversi articoli di giornali che hanno parlato di protesi sternali dal 2015 ad oggi, tra cui quello de La Stampa. 

In tutti questi articoli sono citati la CSIRO e l'Anatomics (Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation), la prima è l'agenzia governativa federale per la ricerca scientifica in Australia e la seconda è un'azienda produttrice di dispositivi medici con sede a Melbourne che collabora con professionisti del settore sanitario e aziende di dispositivi medici per fornire prodotti chirurgici di altissima qualità.

É proprio l'industria CSIRO ad aver realizzato tutte le protesi di sterno e cassa toracica, utilizzando un macchinario di stampa 3D chiamato Arcam A1 con sistema EBM. Queste protesi sono state poi inviate in numerosi luoghi in tutto il mondo: Cina, USA, Spagna e Gran Bretagna, dove abili chirurghi ortopedici e cardiotoracici al passo con i tempi hanno voluto scrivere la storia e impiantare questi oggetti unici all'interno dei loro pazienti malati, affetti da tumori o infezioni irreversibili.

Si possono citare come protagonisti di queste operazioni innovative e mai tentate prima il dottor Wang Xiaoping e il professor Cao Tiesheng del Fourth Military Medical University di Xi'an in Cina, il dottor José Aranda del Salamanca University Hospital, il dottor Weill Cornell del NewYork-Presbyterian/Weill Cornell Medical Center e il dottor Ehab Bishay del St. Bartholomew's Medical College.
Gli utilizzatori descritti sono invece i pazienti, che hanno acconsentito ad operazioni rischiose ma rivoluzionarie confidando nella bravura dei medici e del progresso delle tecnologie in campo medico.

Oltre a questi riferimenti nel blog sono presenti anche un post relativo al termine "sterno artificiale" tradotto in lingue diverse ed uno che contiene alcune Word Clouds con termini inerenti all'argomento trattato.

In seguito ad un breve confronto con lo sterno osseo, si è descritta la presenza dello sterno artificiale anche nei fumetti e nel cinema, infatti il supereroe Iron Man possiede al centro del petto un impianto elettromagnetico atomico artificiale che sostituisce cuore, sterno e parte della cassa toracica e che conferisce super energia alle sue armature bioniche, fungendo da "superprotesi".

Questo tipo di protesi compare anche in una nota serie tv: Grey's Anatomy, un medical drama statunitense. Alla procedura e dedicata una puntata intera e sul finale è presente una profonda riflessione sugli incredibili sviluppi delle tecnologie mediche.

Secondo un approccio più scientifico si possono citare le statistiche e i grafici che riguardano lo sterno artificiale, con le statistiche sono stati evidenziati i principali fattori che portano a malattie che comportano la rimozione dello sterno e la sua sostituzione, in particolare il mesiotelioma pleurico, con annessi rischi. Per quanto concerne i grafici, si è analizzato un aerogramma generale che riguarda le percentuali di fallimento di un'impianto osseo artificiale come una protesi sternale.

Al fine di migliorare questo prodotto, numerose tecnologie collaborano tra loro: l'ingegneria biomeccanica, chimica, dei materiali, elettronica, meccanica e le altre scienze come la medicina, la fisiologia, la medicina riabilitativa, ortopedica e la chirurgia.

Sono stati riportati in questo blog anche due brevetti tecnologici particolarmente importanti  per le protesi ossee e per la stampa 3D, essi sono descritti con molta cura e attenzione sul sito Google Patents.      

Durante quest'analisi approfondita si è ritenuto necessario costruire un glossario trilingue con i termini inerenti in Italiano, Inglese, Francese e Spagnolo ed una mappa concettuale per chiarire l'organizzazione delle idee.

Per dare un senso di completezza a questa ampia ricerca si è anche scritto un abbecedario dello sterno artificiale.

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I modelli

I modelli dello sterno artificiale sono unici e dipendono dalla anatomia ossea dei pazienti e dall'entità ed estensione del tumore o dell'infezione che ha colpito il paziente. 
Sono realizzati con una tecnologia di stampa 3D in titanio per la capacità del materiale di adattarsi ad una complessa geometria e design. Attraverso dati ad alta risoluzione, le squadre di medici ed ingegneri della Anatomics è in grado di creare una ricostruzione 3D della parete toracica e del tumore, permettendo ai chirurghi di pianificare con precisione margini di resezione.
La stampante funziona dirigendo un fascio di elettroni ad una base di titanio in polvere pronta da sciogliere. Questo processo di costruzione viene ripetuto, strato dopo strato, fino alla completa realizzazione del prodotto. La stampa 3D si è dimostrata particolarmente vantaggiosa rispetto ai tradizionali metodi di produzione, in particolare per applicazioni biomediche. Oltre ad essere personalizzabile, consente una prototipazione rapida, che può fare una grande differenza per pazienti in lista di attesa. 

Protesi impiantata in Spagna

Protesi impiantata a New York

Protesi impiantata in Cina

Utilizzatori dello sterno artificiale

Si possono identificare diversi utilizzatori dello sterno artificiale

• Penelope Heller che ha subito nel 2017 l'impianto della protesi da parte del professore e chirurgo cardiotoracico del Weill Cornell del NewYork-Presbyterian/Weill Cornell Medical Center.

• Edward Evans a cui è stato impiantato la protesi dal chirurgo cardiotoracico Mr Ehab Bishay sempre nel 2017 

• La Signora Gu, curata dal medico Wang Xiaoping del Fourth Military Medical University di Xi'an

Tutti questi pazienti hanno in comune la presenza di una protesi artificiale al posto dello sterno, perso a causa di tumori o infezioni. Sono ancora pochi gli utilizzatori di questo tipo di protesi in quanto la procedura è estremamente innovativa e concessa a pochi casi clinici che rispettano rigidi requisiti.

Team chirurgici in collaborazione

Il team chirurgico Britannico che nel 2017 ha operato Edward Evans rimuovendo il suo sterno in una complessa operazione si è rivolta alla CSIRO (Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation ) e alla Anatomics (partnerships & collaborations per lo sviluppo di nuovi dispositivi medici) per la realizzazione della protesi in titanio. Prima dell'operazione il chirurgo cardiotoracico Ehab Bishay e il suo team si sono rivolti alla Anatomics per dei consigli sul caso clinico, per cui l'azienda li ha messi in contatto con il Team si Salamanca, dove si era svolto nel 2015 l'impianto di una protesi molto simile. E' stata così possibile una collaborazione internazionale.

Ecco la testimonianza di Ehab Bishay:

We approached Anatomics initially, who put us into touch with the team from Salamanca to learn from their experience. It was a real multinational collaboration between surgical units as well as industry using the latest technology,” said cardiothoracic surgeon Ehab Bishay, who had heard of the titanium sternum 3D printed and successfully implanted in 2015. “Although cement is tried and tested we believe that custom built 3D printed titanium implants may have certain advantages which we are looking to show. Titanium is more resistant to infection, lightweight, tough, and since it exactly replicates the defect, it means that the operative time is reduced as it slots in. It should also offer a better cosmetic result.”

He continued, “…we made a number of refinements to the original implant used by the group in Spain. They had used a synthetic mesh behind the implant in the first operation, to reduce the chance of the lungs herniating between the titanium rods that replicated the ribs. Unfortunately that mesh became infected and they had to remove it during a second operation. Instead we asked Anatomics to coat these rods with porous polyethylene to add bulk so we did not have to use a mesh. This seemed to have worked with no signs of infection in Edward’s implant.”

Il chirurgo Ehab Bishay e il paziente Edward Evans

Le principali tecnologie

Le tecnologie legate allo sterno artificiale sono molteplici e disparate tra loro, ma vi è una stretta collaborazione al fine di progettare al pc, stampare, installare una protesi personalizzata con una stampante 3D ed unica, leggera e sicura dal rigetto. 

Le principali disciplina sono senza dubbio, l'Ingegneria Biomeccanica, che comprende l' Ingegneria elettronica, meccanica, chimica e dei materiali. 

A stretto contatto con l'ingegneria lavora anche la medicina, in particolare la fisiologia e la chirurgia insieme alla medicina ortopedica e riabilitativa.

Iron man, cuore e sterno artificiali

Iron man: un supereroe con un elettromagnete atomico al centro del petto che gli mantiene vivo il cuore fornendo super energia alle sue armature bioniche. Una sorta di impianto unico che sostituisce cuore, sterno e parte della cassa toracica, capace di pompare energia ad ogni singola cellula, naturale e artificiale, del supereroe.

Iron Man, alter ego di Anthony Edward "Tony" Stark, è un personaggio inventario dei fumetti, geniale inventore miliardario, playboy e filantropo proprietario delle Stark Industries, creato nel 1963 da Stan Lee, Larry Lieber (testi) e Don Heck (disegni), pubblicato dalla Marvel Comics. La sua prima apparizione avvenne in Tales of Suspense (Vol. 1^[1]) n° 39 (marzo 1963).
Il film è stato prodotto nel 2008, diretto da Jon Favreau e basato sull'omonimo personaggio dei fumetti della Marvel Comics Iron Man, interpretato da Robert Downey Jr. Prodotto dai Marvel Studios e distribuito dalla Paramount Pictures, è il primo film del Marvel Cinematic Universe.

Film

Fumetto

Grafico rappresentante il fallimento di impianti ossei artificiali

Ecco un grafico che mostra le percentuali di fallimento di un'impianto osseo artificiale come una protesi sternale. Più della metá dei casi di fallimento é rappresentata dallo scollamento asettico (53,2) provocato da un distacco dell’elemento protesico dall’osso (mobilizzazione della protesi), determinato da un progressivo riassorbimento dell’osso intorno alla protesi (osteolisi) una buona percentuale anche per usura (12,2)e instabilita (10,3), segue lo scollamento settico (6,6), è simile a quello asettico per quanto riguarda il comportamento dell’ osso attorno alla protesi (mobilizzazione più osteolisi periprotesica) ma è più grave in quanto complicato da un’ infezione, che non è sempre facile da eradicare frattura(4) e migrazione (4). Si trovano infine altre cause e per finire la rottura, che nel caso specifico dello sterno che é un osso fisso, é molto rara.

Il macchinario usato per la stampa 3D

Il macchinario usato per la produzione di tutti gli sterni artificiali utilizzati come impianti é l'Arcam A1 con sistema EBM.

Il nuovo sistema EBM Arcam, Arcam A1, è progettato per soddisfare l'esigenza del settore implantare di produrre in modo economicamente conveniente impianti complessi, ad esempio con Trabecular Structures ™ avanzato. Arcam A1 sostituisce il sistema Arcam EBM S12, lo standard industriale de facto per la produzione additiva nel settore degli impianti ortopedici. Il mercato ortopedico è uno dei due mercati principali di Arcam, con oltre quindici sistemi EBM installati per la produzione. La prevista crescita annuale del mercato globale è di circa il 10%, secondo le imprese della conoscenza. Questa crescita è guidata in parte da nuovi prodotti e metodi di trattamento, in parte da nuovi criteri di trattamento e mercati geografici. Arcam A1 è derivato dall'esperienza di Arcam nella produzione additiva di impianti ortopedici. Il sistema include numerose nuove innovazioni che lo rendono adatto alla produzione di impianti, ad es. EBM MultiBeam, la tecnologia brevettata di Arcam per superfici più fini e maggiore velocità di costruzione.

Due industrie importanti per lo sviluppo dello sterno artificiale

 L'Organizzazione per la ricerca scientifica e industriale del Commonwealth (CSIRO) è l'agenzia governativa federale per la ricerca scientifica in Australia.
É proprio la CSIRO ad aver realizzato tutte le protesi di sterno è cassa toracica che ha poi spedito con l'aiuto della Anatomics, in tutte le parti del mondo.
Il suo ruolo principale è quello di migliorare le prestazioni economiche e sociali dell'industria, a beneficio della comunità. CSIRO collabora con le principali organizzazioni di tutto il mondo e la rivista CSIRO pubblica molti articoli con le ultime ricerche condotte da scienziati leader su una vasta gamma di argomenti.
Notevoli sviluppi hanno incluso l'invenzione della spettroscopia di assorbimento atomico, componenti essenziali della tecnologia Wi-Fi, lo sviluppo della prima banconota polimerica di successo commerciale, l'invenzione del repellente per insetti in Aerogard e l'introduzione di una serie di controlli biologici in Australia, come l'introduzione della mixomatosi e del coniglio calicivirus per il controllo delle popolazioni di conigli.

Anatomics è invece un'azienda produttrice di dispositivi medici con sede a Melbourne, di proprietà australiana produce e commercializza prodotti chirurgici per chirurghi a livello locale e internazionale dal 1996. Anatomics è stata la prima a introdurre sul mercato innovativi prodotti di qualità che producono risultati chirurgici migliori e permettono il risparmio di tempo prezioso in sala operatoria. Essa lavora in collaborazione con professionisti del settore sanitario e aziende di dispositivi medici per fornire prodotti chirurgici di altissima qualità. E' una società di membri esperti e dedicati che mirano a ottenere migliori risultati chirurgici avviando sviluppi di prodotto interni e cercando nel mondo le ultime innovazioni tecnologiche per rendere le procedure chirurgiche più efficaci per i nostri partner e più confortevoli per i loro pazienti. I clienti dell'azienda includono: Neurochirurghi, Chirurghi plastici e ricostruttivi, Chirurghi orali e maxillo-facciali, Chirurghi ortopedici, Chirurghi ORL e Chirurghi toracici.

Abbecedario

A come Arcam model A1 EBM System

  

B come Biotecnologie



C come CSIRO (Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation)

D come Dimensioni (3D)



E come Elettronica

F come Futuro

G come Guarigione

La Signora Gu e il Dottor Wang Xiaoping

H come High tech



I come Ingegneria













L come Leggera

M come Medico

Dr. Wang Xiaoping 

N come New York

O come Operazione chirurgica

 

P come PoreStar



R come Ricerca



S come Sterno



T come Titanio




U come Unico

Realizzato  su misura in base alla conformazione ossea del paziente

V come Vincente













Z come Zelo

Le protesi artificiali da sostituire allo sterno di un paziente malato sono realizzate in titanio e pori in polietilene con tecnologia PoreStar da un'organizzazione Australiana, la CSIRO, mediante un processo di stampa 3D molto accurato e zelante con un macchinario chiamato Arcam model A1 EBM System.
La protesi è realizzata su misura in seguito a ricerche approfondite di biotecnologia, elettronica ed ingegneria, è quindi unica. L'osso malato è rimosso dai medici mediante una sega elettrica apposita per gli operazioni chirurgiche e sostituito con una protesi leggera e funzionale. Segue poi una lenta guarigione. Uno delle ultime procedure svolte è avvenuta a New York nel 2017.