Gli apparecchi gessati e le ortesi biomeccaniche sono strumenti fondamentali per il trattamento di lesioni e disturbi muscolo-scheletrici. Tuttavia le tecniche tradizionali di produzione presentano limitazioni che influiscono sul comfort. Ora, grazie alla stampa 3D e alla produzione additiva, nuovi standard estetici e funzionali stanno ridefinendo le ortesi in modo da offrire al paziente delle soluzioni sempre più comode ed efficaci.
Le ortesi biomeccaniche tradizionali
Gli immobilizzatori ortopedici hanno origini antiche, con i primi tentativi risalenti agli antichi egizi. Il merito di aver introdotto il gesso ortopedico moderno va ad Antonius Mathijsen, che nel 1851 utilizzò una fascia cosparsa di polvere di solfato di calcio. Questo metodo si è rivelato efficace e veloce nel trattamento delle fratture e viene ancora utilizzato oggi con poche modifiche (Figura 1).
Le prime vere ortesi prefabbricate risalgono invece a inizio Novecento. Questi dispositivi sono stati progettati per ridurre il dolore e correggere le caratteristiche strutturali e funzionali del sistema neuro-muscolo-scheletrico in patologie debilitanti come, ad esempio, ictus e artrite.
Nel corso del tempo, il mercato delle ortesi prefabbricate ha continuato a evolversi per migliorarne le proprietà biomeccaniche. Nonostante gli innegabili vantaggi e i metodi di produzione ormai consolidati, i dispositivi prefabbricati e i gessi ortopedici tradizionali sono poco comfortevoli, pesanti e voluminosi, potendo provocare irritazione cutanea data l’impossibilità di igienizzarle.
La stampa 3D in ortopedia e gli step di fabbricazione
Nell’ultimo decennio le innovazioni nel campo della stampa 3D e dell’additive manufacturing hanno fatto emergere un promettente metodo di produzione alternativo per questa classe di dispositivi ortopedici (Figura 2).
Tipicamente questi metodi di fabbricazione prevedono cinque fasi produttive:
- Scanning: scansione 3D della struttura anatomica di interesse mediante un sensore 3D. Questo processo viene solitamente gestito dall’ortopedico e da tecnici specializzati per ottenere un’immagine di qualità.
- Modeling: modellazione software del dispositivo. Questo processo viene svolto con un software CAD/CAM: il dispositivo viene progettato attorno al segmento di interesse in modo da predisporre un tutore a misura di paziente. Il modello viene esportato in formato STL “Standard Triangulation Language” che, mediante una serie di triangoli discreti, riesce a ricostruire il volume del solido.
- 3D Printing: il modello tridimensionale va incontro a un processo di “slicing”, ovvero tradotto in una serie di “fette” piane orizzontali. Successivamente vi è il processo di stampa in cui i materiali vengono depositati, strato per strato, per produrre le ortesi. Questa modalità di produzione viene anche chiamata “additive manufacturing”.
- Post-processing: il prodotto viene ripulito e rifinito con la rimozione dei supporti di manufacturing.
- Prova su paziente: Verifica della vestibilità dell’ortesi direttamente sul paziente con il supporto di uno specialista.
I materiali impiegati in questa tecnologia sono polimeri biocompatibili come l’acido polilattico (PLA), l’acrilonitrile butadiene stirene (ABS) e il polipropilene (PP). Le tecnologie di fabbricazione più impiegate sono la Fused Deposition Modeling (FDM), la Stereolitografia (SLA) e la Selective Laser Sintering (SLS) (Figura 3).
Le applicazioni
Inizialmente, la ricerca sulle ortesi stampate 3D si è focalizzata principalmente sugli arti inferiori (in particolare caviglia-piede) per poi espandersi all’arto superiore e al resto del corpo umano. Ad oggi le ortesi 3D sono altamente personalizzabili e possono essere applicate a diversi segmenti anatomici a seconda delle caratteristiche fisiche e cliniche del paziente (Figura 4).
I tutori per arto superiore avambraccio-polso vengono utilizzati soprattutto per il trattamento non chirurgico delle fratture ossee (radio, ulna e scafoide), supporto post-operatorio, trattamento della spasticità, lesione del nervo periferico, distorsione, contusioni ossee, lussazione, artrite e varie patologie croniche. Esistono, inoltre, anche versioni di tutori più specifici per patologie artritiche delle falangi e fratture del gomito.
I tutori per arto inferiore, anche chiamati AFO (Ankle-Foot Orthosis), sono indicati per casi di piede torto congenito, debolezza muscolare, piede cadente, tendinite e lesione del tendine tibiale.
- Sul portale di IngegneriaBiomedica.org abbiamo parlato di stampa 3D anche in questi articoli.
I vantaggi della stampa 3D
La stampa 3D consente di eliminare diverse fasi del processo di fabbricazione convenzionale delle ortesi prefabbricate, migliora l’efficienza produttiva grazie a tempi di lavorazione inferiori e costi minori. Inoltre, permette di rendere più riproducibile il processo di adattamento al paziente rispetto ai classici metodi artigianali.
Le ortesi stampate in 3D permettono un maggiore comfort grazie alla personalizzazione del tutore rispetto alle caratteristiche anatomiche dei pazienti, riducendone l’esposizione ai punti di pressione e irritazione cutanea da sfregamento (Figura 5).
I polimeri biocompatibili più comunemente utilizzati per la fabbricazione 3D del dispositivo sono resistenti all’acqua. Di conseguenza l’ortesi può essere lavata ed igienizzata. Il design dei dispositivi prevede che i tutori abbiano fori di aerazione per ridurre il volume, rendendo il tutore molto più comodo per le attività quotidiane rispetto ai tradizionali gessi in solfato di calcio o fibra di vetro.
Conclusioni
La stampa 3D in ortopedia è ancora una tecnica di nicchia se comparata al mercato delle ortesi prefabbricate e ai gessi ortopedici.
Tuttavia l’interesse verso i tutori ortopedici stampati in 3D sta crescendo rapidamente, sia tra i primi pazienti che li hanno utilizzati, sia nella comunità di ricerca. Studi clinici pionieristici dimostrano che questi tutori sono funzionalmente equivalenti alle soluzioni tradizionali, ma vantano indiscutibili benefici in termini di comfort e adattabilità al paziente.
Ad oggi diverse start-up innovative come MediPlan3D hanno iniziato a proporre sul mercato i primi dispositivi ortopedici stampati 3D. Con questi propositi, nel futuro si prospetta un progresso e una presenza sul mercato sempre più consistente.
Fonti ed approfondimenti
- MediPlan3D
- Annals of Palliative Medicine – 3D printing technology applied to orthosis manufacturing: narrative review
- BioMed Research International – Application of 3D-Printed Orthopedic Cast for the Treatment of Forearm Fractures: Finite Element Analysis and Comparative Clinical Assessment
- Journal of Clinical Medicine – Effectiveness of a New 3D-Printed Dynamic Hand-Wrist Splint on Hand Motor Function and Spasticity in Chronic Stroke Patients
- Journal of Rehabilitation Medicine – Production Time and User Satisfaction of 3-Dimensional Printed Orthoses For Chronic Hand Conditions Compared With Conventional Orthoses: A Prospective Case Series
- Journal of Hand Therapy – Utilization of 3D printed orthoses for musculoskeletal conditions of the upper extremity: A systematic review
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