La stampa 3D in ambito medico non richiede necessariamente l’uso di materiali biocompatibili. Molte delle applicazioni mediche della stampa 3D impiegano materiali standard e di basso costo poiché i modelli anatomici realizzati non sono destinati al contatto con le mucose o all’impianto nel corpo umano. Infatti, con le stampanti 3D si possono produrre modelli anatomici 3D con caratteristiche estremamente realistiche (anche a colori) per la pianificazione degli interventi chirurgici (planning pre-chirurgico), per la didattica, per lo sviluppo di strumentazione medica e per l’addestramento del personale medico e paramedico.
I modelli 3D sono più precisi rispetto alle immagini diagnostiche in 2D e riproducono fedelmente la situazione anatomica e patologica dello specifico paziente, permettendo così una migliore simulazione dell’intervento chirurgico da eseguire.
SmarTech Publishing ha pubblicato uno studio sulle applicazioni medicali della stampa 3D di personal surgery che comprende i modelli anatomici, guide e dispositivi chirurgici speciali realizzati su misura per i pazienti. Poiché la conoscenza e l’uso di questi strumenti si sta diffondendo dal campo della ricerca e sperimentazione nelle normali pratiche chirurgiche, queste applicazioni di personal surgery, iniziate nel 2012, creeranno un mercato dell’ordine di 1,5 miliardi di dollari entro il 2027.
Nel segmento personal surgery, la stampa 3D, combinata con le principali tecnologie e software di medical imaging, crea un segmento completamente nuovo per migliorare le cure dei pazienti, la diagnostica, gli screening, e ridurre tempi e costi degli interventi chirurgici.
In futuro, si prevede che gli ospedali creeranno i propri laboratori interni per produrre direttamente modelli anatomici, strumenti chirurgici su misura e sussidi ortopedici stampati in 3D.
Strumenti medicali e dispositivi chirurgici personalizzati
Molte zone povere del mondo stanno già beneficiando della tecnologia della stampa tridimensionale. Grazie alla possibilità di stampare oggetti che normalmente sarebbero troppo costosi o molto difficili da ottenere.
La stampa 3D è utilizzata per realizzare prototipi e prodotti finali di molte parti di strumenti utilizzati in medicina, come elettrocardiografi/elettroencefalografi, apparecchiature e strumenti per dentisti e odontotecnici, sistemi diagnostici per immagini (ecografia, radiografia, TAC, RMN, TEP) e apparecchiature per ambulatori, riabilitazione dei pazienti e sale operatorie.
Prodotti ausiliari
Il campo degli ausili medici e paramedici per la riabilitazione e per aiutare portatori di Handicap offre infinite applicazioni, che spesso sfruttano le più sofisticate tecnologie meccatroniche e robotiche: carrozzine personalizzate e più o meno “intelligenti”, eso-scheletri, arti artificiali, montascale, fino a oggetti di uso quotidiano modificati per consentire un uso più semplice a persone con mutilazioni (tazze con manici molto grandi, spazzolini da denti e posate con forme particolari, sedie e poltrone personalizzate).
Farmaci
La stampa 3D riveste un ruolo importante anche nella ricerca farmaceutica per la produzione di nuovi farmaci e per la produzione, in forme e dosi differenti, di farmaci già in commercio con la possibilità di personalizzazione il prodotto farmaceutico e garantire maggiori possibilità di accesso a terapie innovative.
La produzione additiva potrebbe rivoluzionare il modo con cui l’industria fabbrica e distribuisce i farmaci, dando anche un ruolo attivo alla farmaci. Una rivoluzione che parte dai reparti di ricerca e sviluppo delle aziende farmaceutiche, si concretizza in impianti farmaceutici 4.0 automatizzati e termina con la possibilità che in futuro siano gli stessi farmacisti a stampare pillole personalizzate su misura dei diversi pazienti.
L’approccio del “paziente al centro” è il cuore della medicina personalizzata. In questo approccio il farmaco classico, prodotto in enormi quantità dalle aziende farmaceutiche globali, dovrebbe essere sostituito, almeno in parte, da produzioni in piccoli lotti indirizzate a piccoli gruppi di pazienti con caratteristiche simili, fino ad arrivare alla produzione di medicinali “su misura” per ogni singolo paziente, ed è qui che potrebbe entrare in gioco la stampa 3D.
Esistono già alcuni esempi. Per esempio, l’azienda inglese FabRx (www.fabrx.co.uk), punta a rendere più accettabile l’assunzione dei farmaci da parte dei bambini attraverso la stampa di farmaci a forma di dinosauro o cavalluccio marino, e con sapori gradevoli per i piccoli pazienti, utilizzando per la stampa filamenti polimerici “caricati” con i vari principi attivi per produrre compresse o capsule. Altri vantaggi dell’uso della stampa 3D per la produzione personalizzata di farmaci riguarda gli anziani in regime di poli-terapia, che potrebbero assumere un’unica compressa stampata 3D con una combinazione a dosaggio predefinito di più principi attivi. E’ inoltre possibile modulare gli eccipienti in caso di presenza di allergie o mascherare con un aroma il gusto del principio attivo.
Il freno a una maggiore penetrazione delle tecnologie di additive manufacturing in campo farmaceutico è di tipo regolatorio. Nell’industria del farmaco lo sviluppo di un nuovo prodotto con tecnologie classiche richiede fino a dieci anni e 1,2 miliardi di dollari d’investimento. La stampa 3D potrebbe aiutare a ridurre di molto tempi e costi, ma la sua implementazione richiede una fase prototipale complessa. Tutti i materiali utilizzati, inoltre, devono essere “pharmaceutical grade”, ovvero completa- mente biocompatibili e non tossici per l’organismo umano. L’americana Food and Drug Administration ha approvato nell’estate 2015 il primo medicinale stampato in 3D – levetiracetam, per il trattamento delle crisi epilettiche – fabbricato da Aprecia (www.aprecia.com) su licenza esclusiva globale della tecnologia di stampa additiva ZipDose, sviluppata dal Massachusetts Institute of Technology (MIT). Ogni unità è confezionata singolarmente per un più agevole trasporto. In Italia, i ricercatori del Dipartimento di Scienze Farmaceutiche dell’Università di Milano utilizzano la stampa 3D per produrre il sistema capsulare Chronocap a rilascio ritardato, in sostituzione del classico stampaggio a iniezione. E’ possibile in futuro i farmacisti possano stampare in 3D alcuni farmaci anell’ambito delle attività istituzionali dei laboratori galenici presenti in molte farmacie.
Lee Cronin, dell’Università di Glasgow, sta mettendo a punto un prototipo di stampa 3d capace di assemblare composti chimici a livello molecolare. I ricercatori della Louisiana Technical University sono già riusciti a realizzare prototipi di medicine stampate per il cancro.
Bioprinting
La frontiera più avanzata e più promettente della stampa 3D in medicina è sicuramente il bioprinting, ossia la possibilità di stampare tessuti e organi umani, che aprirebbe nuovi scenari per la sperimentazione di nuove terapie, ancora prevalentemente in fase sperimentale. Per il passaggio dalla sperimentazione alla normale pratica medica, devono ancora essere messi a punto appositi protocolli e regolamenti.
Nella medicina rigenerativa, la tecnica del bioprinting utilizza le cellule umane per riprodurre organi e tessuti al posto di plastiche e polimeri. In futuro, potrebbe risolvere il problema della carenza di organi per i trapianti, eliminando al contempo i pericoli legati al rigetto.
Le applicazioni possibili sono numerose, dalla cosmetica (con l’utilizzo di modelli di tessuto per test dermatologici soprattutto in Europa, dove i test sugli animali sono stati banditi nel 2013) alla scoperta di nuovi farmaci, due settori destinati a valere 500 milioni di dollari entro il 2027, secondo la società di ricerche SmarTech. I tessuti stampati in 3D consentono un’analisi biochimica, genetica e istologica in seguito all’esposizione ad agenti specifici, rendendoli utili strumenti in-vitro per gli studi di tossicologia e di determinate malattie. L’Oreal e Organovo stanno già collaborando per automatizzare la produzione di campioni di pelle umana.
I principali filoni di sperimentazione del bio-printing sono: pelle, vasi sanguigni, organi. Vediamoli nel dettaglio.
Pelle
Un team di scienziati del laboratorio Poietis di Bordeaux, ha sviluppato una stampante sperimentale in grado di stampare la pelle sintetica, con l’obiettivo di permettere trapianti di pelle per soggetti ustionati. Gli scienziati della Universidad Carlos III de Madrid (UC3M), CIEMAT (Centro per l’Energia, l’Ambiente e laTecnologica), General Hospital Universitario Gregorio Marañón, in collaborazione con BioDan Group, hanno presentato un prototipo di bioprinter 3D che può creare totalmente pelle umana funzionale, che replica la struttura naturale della pelle, utilizzabile per il trapianto per i pazienti o per scopi di ricerca o la sperimentazione di cosmetici, sostanze chimiche e prodotti farmaceutici.
Attualmente, questi processi 3D sono in fase di approvazione da parte di diverse agenzie normative europee per garantire che la pelle che viene prodotta sia adeguata per l’uso in trapianti su pazienti ustionati e con altri problemi della pelle. Inoltre, questi tessuti possono essere utilizzati per testare prodotti farmaceutici, prodotti chimici di consumo, nonché prodotti cosmetici dove le normative vigenti richiedono test che non utilizzano animali.
I ricercatori dell’Istituto Wake Forest per la medicina rigenerativa hanno sviluppato un metodo per usare la stampante 3D per la guarigione di ustioni gravi, coprendo le ferite con le cellule della pelle sana.
Il trattamento tradizionale per ustioni profonde, tende a coprire le ferite con la pelle sana raccolta da un’altra parte del corpo. Ma in caso di ustioni estese, spesso tale metodo non è sufficiente, né efficace. La 3D skin printer messa a punto dalla Wake Forest, invece, guarisce le ferite e ustioni coprendole con cellule della pelle sana. La 3D skin printer è stata sottoposta con successo a test clinici sugli animali che sono stati superati appieno. Inoltre, è stato dimostrato come stampando le cellule della pelle sulle ferite, si ha una guarigione 3 volte più veloce del metodo tradizionale.
Vasi sanguigni
Un team internazionale di ricercatori dell’Università di Sydney, di Harvard e del Mit ha elaborato un metodo per stampare in 3D i vasi sanguigni funzionanti, necessari per realizzare organi artificiali, che dovrebbe portare ossigeno e altre sostanze alle cellule.
Organi
Organovo ha annunciato 2 anni fa il lancio commerciale di cellule bio-stampate in grado di funzionare per più di 40 anni, utilizzate per testare farmaci, e ha già stampato con successo vari tessuti umani, tra cui alcuni condotti dell’apparato respiratorio, del fegato, cuore, seni, nervi periferici, ossa e vasi sanguigni. L’obiettivo è quello di ridurre la dipendenza dalla sperimentazione animale nei test clinici.
Diversi istituti di ricerca stanno sperimentando la realizzazione di organi funzionanti con il bio-printing.
Nel giro di 5-6 anni, dovrebbe essere possibile cominciare a stampare organi interi come fegato, cuore e reni: nel caso del fegato si comincerà a sostituire parti malate dell’organo con quelle stampate.
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