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Tecnologie di supporto

3D-printing alimentare: la frontiera della nutrizione personalizzata a supporto della disfagia

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Scritto da Alessia Paradiso

I disturbi della deglutizione colpiscono ogni anno milioni di persone in tutto il mondo. In contesti specifici, il 3D-printing alimentare si sta affermando come realtà ospedaliera, seppur lentamente. La possibilità di ingegnerizzare la consistenza di alimenti standard rende l’assemblaggio degli ingredienti personalizzato a livello nutritivo, adatto a soddisfare le esigenze quotidiane delle persone affette da disfunzioni come la disfagia.

Il cibo 3D è un settore pionieristico in ambito biomedico

La stampa 3D di alimenti sta gradualmente emergendo come metodo di preparazione di alimenti per persone affette da disfunzioni dell’apparato digerente.

In questo contesto, tale tecnologia consente un’analisi accurata dei fattori nutrizionali. Non solo attraverso l’utilizzo di ingredienti selezionati, ma anche col controllo più rigoroso sulle dimensioni delle porzioni, riducendone così il consumo eccessivo. Sarà quindi possibile allo stesso modo controllare la quantità di vitamine e minerali, proteine, carboidrati e acidi grassi omega-3.

Tra le esigenze evidenziate dagli operatori sanitari a livello di degenza ospedaliera, vi è la necessità di fornire cibi con consistenza diversa a seconda dei bisogni dei pazienti.

Problemi di masticazione, digestione e apporti dietetici specifici richiedono alimenti preparati su misura con determinate caratteristiche alimentari, di quantità e dosaggi particolari.

Donne in gravidanza, atleti, militari in missione e astronauti in orbita.
Il 3D-printing alimentare si rivolge anche a loro, grazie alla possibilità di regolare conservanti, additivi e altri prodotti chimici.

Sorprendentemente quindi, l’additive manufacturing trova applicazione nel campo biomedico alimentare, come nel caso di persone affette da disfagia.

Cos’è la disfagia?

La deglutizione è un processo all’apparenza semplice, ma in realtà piuttosto complesso. Essa consente la progressione della saliva e del bolo alimentare dalla cavità faringea allo stomaco, grazie alla completa coordinazione della muscolatura orofaringea, laringea ed esofagea. Una disfunzione di tali processi può portare a problemi di deglutizione e ad un incorretto transito del bolo. In termini medici, si tratta di disfagia. Nei casi più gravi si possono verificare denutrizione o disidratazione. In altri casi, la disfagia è tale da compromettere addirittura la respirazione o la parola. Si calcola che ne soffra circa il 16-23% della popolazione mondiale (2008) e il 78% dei pazienti colpiti da ictus abbia conseguenze in tal senso (Fig. 1).

Figura 1: Cause principali di disfagia. La disfagia è spesso provocata da un disturbo, una sindrome o una malattia che colpisce i nervi e i muscoli di lingua, bocca o gola che portano a difficoltà di coordinazione e/o controllo della deglutizione. Photo Credits: Nutritional Academy Italia.

A supporto della disfagia orofaringea troviamo tecniche rieducative di deglutizione, adattamenti a diete semisolide/semiliquide e metodiche di compenso. Nel caso di disfagia esofagea si interviene, a volte chirurgicamente, sull’esofago per allargare la cavità ristretta o per la rimozione di una massa tumorale. Seguono trattamento farmacologico e riabilitazione.

Nei casi più estremi, si opta per alimentazione artificiale tramite Sondino Nasogastrico (SNG) o Gastrostomia Endoscopica Percutanea (PEG) (Fig. 2), procedure più o meno invasive che richiedono una gestione complessa e un decorso del paziente con tempi di azione e recupero lunghi.

Figura 2: Illustrazione anatomica di sondino nasogastrico (SNG) e procedura di gastrostomia endoscopica percutanea (PEG). Il SNG è un tubicino lungo e flessibile che, inserito nel naso e portato fino allo stomaco attraverso la faringe e l’esofago, può servire a vari scopi, tra cui principalmente la somministrazione di sostanze nutritive e l’eliminazione di un determinato contenuto gastrico indesiderato. La PEG prevede un primo esame endoscopico del tratto digestivo superiore. Una volta insufflato lo stomaco per farne aderire la parete anteriore con la parete addominale, si posiziona l’agocannula nel lume gastrico, tramite incisione. La cannula permette l’inserimento di un filo portato poi all’esterno attraverso il tratto digestivo superiore, guidato dall’endoscopio.

È proprio in questo contesto che si inserisce il 3D-printing alimentare

In casi specifici, la stampa semiliquida/semisolida degli alimenti e dei nutrienti necessari potrebbe rendere la vita più facile ai pazienti, migliorandone la qualità di vita. Allo stesso modo, il percorso riabilitativo risulterebbe promettente e sgravato da operazioni fastidiose come SNG e PEG. Senza contare che le persone affette da disfagia possono sviluppare anche antipatia verso i cibi frullati, a causa del loro aspetto non attraente così come per l’assenza di varietà nei pasti quotidiani e del gusto diluito.

E dal punto di vista tecnologico?

Varie tecniche di 3D-printing alimentare (e.g. fusione calda, a getto, sinterizzazione laser, getto legante, a getto d’inchiostro) sono state ad oggi sperimentate per diversi scopi; ma è quella ad estrusione che ha fornito i risultati più promettenti, grazie alla versatilità e alle performance tecnologiche delle stampanti utilizzate.

3D-printing alimentare di pasti ospedalieri.

Non tutti gli ingredienti alimentari, però, possono essere stampati.

Occorre dire che il tipo di cibo adatto al 3D-printing è limitato dalla tecnica di stampa. E non tutte le tecniche di stampa si adattano al settore alimentare. Esistono infatti tre aree generali che incidono sull’accuratezza tecnologica del 3D-printing alimentare:

  • materiali/ingredienti (viscosità, dimensione della polvere/trito),
  • parametri di processo (diametro dell’ugello, velocità di stampa, distanza di stampa),
  • eventuali metodi di post-elaborazione (cottura al forno, microonde, frittura).

Struttura, design, velocità e stampa multi-materiale sono tra i fattori che più incidono su un corretto apporto alimentare. La sfida attuale nella stampa alimentare risiede nel creare un agente gelificante che inizi a solidificarsi entro circa tre secondi, dal momento in cui l’alimento liquido lascia la testina di stampa e atterra sul piatto prima che vengano stampati gli strati successivi (Fig. 3).

Se si solidifica troppo velocemente, si ottiene l’effetto dell’impasto laminato. Se rallenta, il secondo strato distrugge il primo.

A sinistra, cartucce per stampa alimentare. Inserite nell’apposito alloggiamento, possono depositare strati frazionari e precisi attraverso un ugello, strato per strato.

La cartuccia di stampa viene caricata di ingredienti “semisolidi” (puree, creme, vellutate, spalmabili) o “semiliquidi” (frullati, salse, creme liquide). Servono quindi formulazioni specifiche in polvere per solidificare le puree e renderle di una consistenza tale da poter essere considerata appetitosa e fruibile.

Nel caso di dieta semiliquida conviene usare acqua gelificata o polveri addensanti, che possono essere aggiunte a tutti i liquidi, caldi e freddi (acqua, tè, brodi, succhi, latte). I liquidi, per essere deglutiti correttamente, dovrebbero essere addensati fino ad avere la consistenza di un budino. In regime semisolido, la consistenza dell’alimento deve essere fluida, omogenea o frullata. A differenza dei semiliquidi, i semisolidi possono essere raccolti con una forchetta o un cucchiaio, possono essere disposti più facilmente a strati e mantenere la forma nel piatto.


Figura 3: 3D-printing per salse semisolide. La salsa di pomodoro contiene agenti gelificanti necessari per l’estrusione da testina di stampa.

Dal punto di vista tecnico, il 3D-printing richiede un’elevata sinergia tra hardware e software per lavorare insieme. Le stampanti più evolute sono dotate di interfacce di facile utilizzo e ricette precaricate, accessibili da computer, smartphone o altro dispositivo IoT.

La comunità scientifica si trova d’accordo. Logopedisti, medici di famiglia, otorinolaringoiatri e nutrizionisti sono già in campo affiancati da ingegneri biomedici per adattare sempre di più la tecnica del 3D-printing al campo dell’alimentazione personalizzata per pazienti disfasici.

Inoltre, la scelta di ingredienti consentirà sempre più facilmente di soddisfare diete speciali. Tendenze alimentari come il veganismo, ma anche celiachia ed intolleranza al lattosio sono in costante aumento. La stampa 3D può rispondere a tali esigenze (Fig. 4).

Figura 4: Prototipo di bistecca vegana. La materia prima proviene da piselli o proteine del riso, che sono solo il punto di partenza. Per ottenere tutte le proprietà necessarie, si incorporano coloranti naturali e fibre di alghe. Photo Credits: NovaMeat, CREB.

Una sfida tecnologica al servizio della salute

Ci sono però degli svantaggi tecnologici, tra cui la frequenza di ricarica delle “cartucce di stampa” e la pulizia della stampante. Se gli ingredienti dovessero essere preparati prima dell’uso o se il cibo dovesse essere cotto dopo averlo rimosso dalla stampante, ciò inciderebbe sull’utilità finale della stampante. Per superare tali limiti, servizi come quello offerto da Biozoon sono già in sperimentazione a livello ospedaliero, sia nel pubblico che nel privato, nella pre-produzione di “cibi da cartuccia” pronti all’uso. Direzione simile quella creata da Natural Machines con Foodini, un sistema che consente di sfogliare tra le ricette pre-caricate utilizzando lo smartphone, connesso alla stampante alimentare (Fig. 5).

Figura 5: Ipotetici concept designs alimentari per pazienti disfasici: (a) salsiccia, (b) bistecca e (c) hamburger. (d) Modello CAD e (e) prototipo di bistecca vegetariana (Photo Credits: NovaMeat).

TNO, organizzazione olandese per la ricerca scientifica applicata, ha costruito una stampante 3D per uso alimentare-ospedaliero come parte di uno studio finanziato dall’Unione Europea. Con 3 milioni di euro, l’azienda serve già 100 pasti personalizzati ai 20 residenti di una casa di cura tedesca.

Qualsiasi progetto che implichi l’uso di tecnologie di frontiera e un cambiamento comportamentale, soprattutto in relazione al cibo, richiede molto tempo per essere accettato e implementato. I pasti stampati in 3D, seppur conditi anche da una certa dose di scetticismo, consentiranno di integrare il trattamento medico con un trattamento nutrizionale personalizzato per i pazienti disfasici.

Il 3D-printing alimentare potrà quindi essere portato direttamente in ospedale o a casa, garantendo pasti perfettamente adattati alle esigenze nutrizionali del paziente per un migliore recupero.

Fonti e approfondimenti:
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Alessia Paradiso

Ricercatrice in fuga.
Conseguita la laurea magistrale in Ingegneria Biomedica al Politecnico di Torino, prosegue con un Dottorato in Biomateriali fuori patria. Appassionata di informazione, mantiene un sguardo completo sul mondo biomedico con tanta curiosità.

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