La società australiana Fusetec, Adelaide University e l’Additive Manufacturing Cooperative Research Centre (AMCRC) hanno avviato un progetto di ricerca da 800.000 dollari australiani finalizzato allo sviluppo di una nuova generazione di modelli dentali stampati in 3D capaci non soltanto di riprodurre l’anatomia umana, ma anche di comportarsi meccanicamente in modo simile ai tessuti sui quali opera un odontoiatra.
Il programma avrà una durata di 18 mesi e punta alla realizzazione di simulatori biomimetici destinati soprattutto alla formazione e alla pianificazione di interventi complessi, come l’estrazione dei denti del giudizio.
L’aspetto centrale del progetto riguarda il passaggio da una replica prevalentemente geometrica dell’anatomia a un modello nel quale denti, osso mascellare o mandibolare e tessuti molli presentano differenti caratteristiche meccaniche e reagiscono agli strumenti chirurgici con modalità più vicine a quelle riscontrate nel corpo umano.
L’obiettivo non è quindi realizzare semplicemente un modello dall’aspetto realistico, ma costruire un sistema sul quale sia possibile tagliare, perforare, esercitare pressione e provocare fratture controllate ottenendo una risposta utile per l’addestramento.
Non si tratta di bioprinting di tessuti viventi
È importante distinguere la tecnologia sviluppata da Fusetec e Adelaide University dalla biostampa 3D.
I modelli previsti dal progetto non sono costituiti da cellule viventi e non hanno lo scopo di produrre tessuti da impiantare nel paziente.
Si tratta invece di repliche biomimetiche realizzate attraverso produzione additiva multimateriale, nelle quali materiali con differenti proprietà vengono combinati per simulare la risposta meccanica di strutture anatomiche diverse.
Un dente deve per esempio opporre agli strumenti una resistenza diversa rispetto all’osso che lo circonda. La gengiva e gli altri tessuti molli devono invece deformarsi, flettersi e reagire alla manipolazione in maniera differente.
Riprodurre contemporaneamente queste caratteristiche costituisce una delle difficoltà principali nella produzione di simulatori chirurgici ad alta fedeltà.
La qualità di un modello destinato alla formazione clinica non può infatti essere valutata soltanto osservandone la precisione geometrica. Per un chirurgo è altrettanto importante ciò che accade quando utilizza sul modello frese, leve, pinze e altri strumenti.
Il problema dei simulatori odontoiatrici tradizionali
La formazione odontoiatrica utilizza da tempo manichini, denti artificiali e modelli anatomici.
Questi strumenti consentono di acquisire le tecniche fondamentali senza intervenire direttamente su un paziente, ma presentano limiti quando l’obiettivo diventa simulare procedure chirurgiche complesse.
Un modello realizzato con una plastica uniforme può avere una geometria molto precisa, ma non necessariamente restituisce al professionista la stessa sensazione percepita durante un intervento reale.
Nella chirurgia orale il comportamento dei differenti tessuti è particolarmente importante.
Durante l’estrazione di un dente del giudizio incluso, per esempio, il medico può dover rimuovere parte dell’osso, sezionare il dente e utilizzare differenti forze per liberarne progressivamente le porzioni.
Dente e osso non reagiscono nello stesso modo. Anche all’interno dello stesso distretto anatomico possono inoltre esistere differenze significative tra un paziente e l’altro.
È proprio questo problema che il progetto coordinato da Fusetec, Adelaide University e AMCRC intende affrontare.
Dalla scansione del paziente al modello digitale
Il processo previsto combina imaging clinico avanzato, modellazione digitale e produzione additiva multimateriale.
Le immagini diagnostiche consentono di acquisire informazioni dettagliate sull’anatomia da riprodurre.
I dati possono essere elaborati digitalmente separando le differenti strutture anatomiche. Denti, osso e tessuti possono quindi diventare parti distinte di un modello tridimensionale.
Questo passaggio, generalmente indicato come segmentazione, è già utilizzato in numerose applicazioni medicali della stampa 3D.
Il modello digitale risultante può successivamente essere trasformato in una replica fisica attraverso sistemi di produzione additiva capaci di depositare o combinare materiali con proprietà differenti.
La possibilità di partire dalle immagini cliniche apre inoltre la strada alla produzione di modelli specifici per il singolo paziente.
Il simulatore potrebbe quindi non rappresentare soltanto un’anatomia standard, ma ricostruire una particolare configurazione anatomica sulla quale il chirurgo potrebbe esercitarsi prima dell’intervento reale.
L’estrazione dei denti del giudizio come banco di prova
Il progetto concentra una parte significativa dell’attività sulle estrazioni dentali complesse e, in particolare, sui denti del giudizio.
Un terzo molare può essere completamente visibile oppure rimanere parzialmente o totalmente incluso nell’osso. Posizione, inclinazione, morfologia delle radici e rapporto con le strutture anatomiche circostanti possono modificare considerevolmente la difficoltà dell’intervento.
Non esiste quindi una singola procedura identica per tutti i pazienti.
Per questa ragione Fusetec e Adelaide University vogliono realizzare simulatori capaci di rappresentare differenti condizioni anatomiche e differenti livelli di difficoltà.
Un professionista potrebbe così esercitarsi su un caso relativamente semplice e passare successivamente a configurazioni più complesse secondo un percorso di apprendimento progressivo.
La produzione digitale consente inoltre di replicare più volte la stessa anatomia.
Questo aspetto è particolarmente importante nella formazione: più studenti possono esercitarsi su modelli equivalenti e i loro risultati possono essere confrontati in condizioni più standardizzate.
Studiare anche la forza necessaria per provocare una frattura
Il programma di ricerca non riguarda esclusivamente la realizzazione fisica dei modelli.
I ricercatori di Adelaide University intendono sviluppare anche strumenti di simulazione per studiare le soglie di forza che determinano la frattura durante le procedure di estrazione.
È un elemento particolarmente interessante perché introduce una componente quantitativa nella simulazione chirurgica.
Durante un’estrazione il professionista applica forze al dente e alle strutture circostanti. Una parte dell’esperienza clinica consiste proprio nell’imparare a interpretare la resistenza dei tessuti e a modulare i movimenti degli strumenti.
Comprendere meglio le condizioni nelle quali avvengono determinate fratture potrebbe contribuire alla progettazione di procedure più controllabili e alla formazione dei professionisti.
Il modello stampato in 3D può diventare quindi contemporaneamente uno strumento di addestramento e una piattaforma sperimentale per analizzare il comportamento meccanico dell’intervento.
Il ruolo di Adelaide University
La ricerca è guidata per l’università dall’Associate Professor Ling Yin, della School of Electrical and Mechanical Engineering di Adelaide University, in collaborazione con la School of Dentistry e il Future Industries Institute.
La presenza contemporanea di competenze ingegneristiche e odontoiatriche è essenziale perché la difficoltà non consiste semplicemente nel produrre un oggetto tridimensionale.
Gli ingegneri devono identificare materiali e processi produttivi capaci di riprodurre determinate caratteristiche meccaniche, mentre i professionisti dell’odontoiatria devono stabilire se il comportamento ottenuto sia effettivamente rappresentativo dell’esperienza clinica.
La corrispondenza tra materiale artificiale e tessuto umano deve quindi essere valutata attraverso parametri fisici ma anche attraverso prove effettuate dagli utilizzatori finali.
Fusetec lavora da anni sui simulatori chirurgici
Il progetto odontoiatrico si inserisce in un percorso che Fusetec porta avanti da diversi anni nel settore della simulazione chirurgica.
L’azienda australiana è specializzata nella produzione di modelli anatomici operabili destinati alla formazione dei chirurghi.
Una delle prime applicazioni sviluppate dall’azienda ha riguardato la chirurgia endoscopica dei seni paranasali.
Fusetec ha collaborato con ricercatori e chirurghi australiani per realizzare modelli anatomici sui quali fosse possibile utilizzare strumenti chirurgici reali riproducendo non soltanto le forme, ma anche alcune caratteristiche tattili dei tessuti.
Queste attività hanno portato allo sviluppo di simulatori utilizzati per esercitazioni in otorinolaringoiatria, chirurgia del naso e altre discipline.
La società ha inoltre lavorato sulla riproduzione di differenti patologie e configurazioni anatomiche.
Il principio è significativo per la formazione: con un cadavere il docente deve utilizzare l’anatomia disponibile, mentre con un modello digitale può richiedere una determinata condizione clinica e riprodurla più volte.
Dai cadaveri ai modelli ripetibili
Uno dei casi citati nella storia di Fusetec riguarda la collaborazione con il professor Peter-John Wormald, specialista di chirurgia otorinolaringoiatrica.
Nei tradizionali corsi di dissezione per la chirurgia dei seni paranasali la disponibilità di cadaveri costituiva uno dei principali vincoli alla quantità di esercitazioni che ciascun chirurgo poteva effettuare.
I modelli prodotti da Fusetec hanno permesso di aumentare il numero di procedure praticabili durante i corsi e di proporre anatomie e patologie selezionate in anticipo.
Il vantaggio non consiste necessariamente nell’eliminare qualsiasi altra forma di addestramento, ma nella possibilità di aumentare considerevolmente le occasioni di esercitazione.
Lo stesso concetto può essere trasferito alla formazione odontoiatrica.
Un modello prodotto digitalmente può essere replicato, distribuito a più studenti e sostituito una volta completata la procedura.
La standardizzazione è uno dei vantaggi meno evidenti
La possibilità di produrre copie equivalenti della stessa anatomia introduce un vantaggio che va oltre la semplice disponibilità di materiale didattico.
Permette di standardizzare la valutazione delle capacità chirurgiche.
Se dieci studenti lavorano su dieci anatomie molto differenti, diventa difficile confrontarne oggettivamente le prestazioni.
Se invece tutti operano su modelli caratterizzati dalla stessa difficoltà e dalle stesse strutture anatomiche, il docente può osservare le differenze nelle tecniche impiegate, nei tempi e negli eventuali errori.
La stampa 3D può quindi trasformare il simulatore in uno strumento per costruire esercitazioni riproducibili.
È un principio già studiato in altri settori della simulazione chirurgica e costituisce una delle applicazioni più interessanti dell’additive manufacturing nella formazione medica.
I precedenti studi di Fusetec
L’azienda ha partecipato a diversi studi scientifici dedicati alla validazione dei modelli stampati in 3D per l’addestramento chirurgico.
Tra le applicazioni esaminate figurano modelli per chirurgia endoscopica dei seni paranasali, chirurgia della testa e del collo, rinoplastica, osso temporale e altre procedure.
In uno studio sulla formazione alla rinoplastica, i modelli sviluppati da Fusetec sono stati prodotti ad Adelaide utilizzando dati provenienti da scansioni CT e tecniche di modellazione digitale.
Per quelle applicazioni l’azienda ha utilizzato anche tecnologie Stratasys, compresa la piattaforma Digital Anatomy, progettata specificamente per ottenere modelli anatomici multimateriale con differenti caratteristiche meccaniche.
Questo non significa necessariamente che la medesima configurazione tecnologica verrà adottata in ogni fase del nuovo programma odontoiatrico, ma mostra il livello di esperienza accumulato dall’azienda nella stampa 3D multimateriale applicata alla simulazione chirurgica.
Materiali diversi per tessuti diversi
Uno dei problemi centrali della simulazione anatomica riguarda i materiali.
Una struttura anatomica può essere riprodotta geometricamente con grande precisione e risultare comunque poco utile per l’addestramento se il materiale non reagisce correttamente.
Per esempio, un simulatore destinato alla chirurgia deve poter essere inciso, perforato oppure suturato a seconda dell’applicazione.
I materiali devono inoltre interagire tra loro.
Nel caso dentale non basta quindi sviluppare un materiale simile all’osso e uno simile al tessuto molle: bisogna anche riprodurre correttamente il rapporto tra dente, osso e strutture circostanti.
La produzione additiva multimateriale permette di collocare proprietà differenti nello stesso componente e di controllarne digitalmente la distribuzione.
È proprio questa capacità che rende le tecnologie additive particolarmente adatte allo sviluppo di simulatori anatomici.
Un possibile modello specifico per il singolo paziente
L’utilizzo dei dati di imaging clinico introduce anche un’altra possibilità: utilizzare questi sistemi non soltanto per l’insegnamento generale, ma per la preparazione di interventi particolarmente complessi.
A partire dalle immagini del paziente potrebbe essere realizzata una replica della specifica anatomia che il chirurgo incontrerà durante l’intervento.
Il professionista potrebbe studiare l’accesso, valutare le difficoltà e provare in anticipo alcuni passaggi della procedura.
La differenza rispetto a un normale modello anatomico sarebbe sostanziale.
Il simulatore non rappresenterebbe più un paziente generico, ma quel particolare caso clinico.
Perché questa possibilità abbia valore, tuttavia, non è sufficiente riprodurre fedelmente le dimensioni: anche le caratteristiche meccaniche devono avvicinarsi abbastanza alla situazione reale.
È precisamente su questo passaggio che si concentra il nuovo progetto australiano.
Dalla ricerca al prodotto commerciale
Per Fusetec il programma ha anche un obiettivo industriale.
Il CEO Mark Roe ha spiegato che la collaborazione punta a trasformare anni di attività di ricerca in un prodotto commercialmente utilizzabile.
L’obiettivo è quindi arrivare a una piattaforma di formazione odontoiatrica che possa essere prodotta in Australia e distribuita anche sui mercati internazionali.
Il progetto non deve perciò risolvere soltanto il problema della fedeltà anatomica.
Un prodotto commerciale deve essere ripetibile, producibile in quantità adeguate, sufficientemente robusto durante il trasporto e compatibile con i costi della formazione professionale.
La fase di industrializzazione sarà quindi importante quanto quella dedicata allo sviluppo dei materiali.
AMCRC e la produzione medicale australiana
L’Additive Manufacturing Cooperative Research Centre considera il progetto anche come un esempio di trasferimento della ricerca verso l’industria.
L’organizzazione australiana sostiene programmi nei quali aziende, università e centri di ricerca collaborano per portare tecnologie di produzione additiva verso applicazioni commerciali.
Nel caso di Fusetec il punto di partenza è un problema clinico identificato dall’azienda: la difficoltà di creare simulatori sufficientemente realistici per determinate procedure odontoiatriche.
Adelaide University mette a disposizione competenze nella ricerca sui materiali, nell’ingegneria e nell’odontoiatria, mentre AMCRC contribuisce al percorso di sviluppo e industrializzazione.
Il Managing Director di AMCRC, Simon Marriott, ha indicato anche il potenziale del progetto per rafforzare la capacità australiana di produrre tecnologie medicali avanzate destinate all’esportazione.
La stampa 3D passa dalla forma al comportamento
Il progetto di Fusetec e Adelaide University rappresenta bene una delle direzioni più interessanti dell’additive manufacturing medicale.
La prima fase della stampa 3D anatomica si è concentrata soprattutto sulla riproduzione della forma.
Da immagini CT o MRI diventava possibile ottenere una copia fisica estremamente accurata di ossa, organi o strutture vascolari.
Il passaggio successivo consiste nel riprodurre anche il comportamento.
Un osso deve poter essere fresato come un osso. Un tessuto molle deve deformarsi in maniera appropriata. Un dente deve offrire una resistenza credibile e rompersi in condizioni comparabili a quelle di un dente umano.
È un problema molto più complesso della semplice precisione dimensionale perché richiede una combinazione di materiali, geometria, progettazione digitale e validazione clinica.
Dall’oggetto stampato al simulatore chirurgico
La differenza può sembrare sottile, ma cambia profondamente il valore del modello.
Una replica anatomica mostra al medico dove si trova una determinata struttura.
Un simulatore biomimetico deve permettergli anche di sperimentare cosa accade quando interviene su quella struttura.
È questo il risultato che Fusetec, Adelaide University e AMCRC intendono ottenere nei prossimi 18 mesi.
Se il programma raggiungerà gli obiettivi previsti, dentisti e chirurghi orali potranno disporre di modelli ripetibili e potenzialmente personalizzati sui quali esercitarsi utilizzando strumenti e procedure reali prima di affrontare il caso clinico.
La stampa 3D diventerebbe così non soltanto uno strumento per rappresentare l’anatomia, ma una tecnologia per simulare l’interazione fisica tra chirurgo e paziente, con possibili applicazioni nella formazione, nella valutazione delle competenze e nella preparazione delle procedure più complesse.
Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI)
