Laser di Basilea per tagli profondi nell’osso e alloggi di precisione per impianti 3D
Un gruppo di ricerca dell’Universität Basel ha sviluppato un sistema laser per la chirurgia ossea capace di raggiungere profondità di taglio finora considerate irrealistiche per questa tecnologia, aprendo la strada a sedi estremamente precise per impianti personalizzati prodotti con stampa 3D. Il lavoro si inserisce nel progetto MIRACLE II, finanziato dalla Werner Siemens-Stiftung e collegato anche all’iniziativa Innosuisse “Laser-Blade” in collaborazione con l’azienda medtech Smith+Nephew.
Perché usare il laser al posto di sega e trapano
Nella chirurgia ortopedica e maxillo-facciale si usano ancora principalmente strumenti meccanici come seghe oscillanti, frese e trapani, che generano vibrazioni, carico meccanico sull’osso e produzione di calore e detriti. Un laser chirurgico offre un taglio senza contatto, riduce il rischio di microfratture e permette geometrie di incisione molto più complesse, utili per incastri tridimensionali tra osso e protesi. La possibilità di modellare con accuratezza l’alloggiamento dell’impianto è particolarmente interessante quando si utilizzano impianti su misura ottenuti tramite stampa 3D in titanio o polimeri avanzati.
Il limite storico: profondità di soli 2–3 cm
Finora la principale barriera all’uso esteso del laser sull’osso è stata la scarsa profondità di taglio ottenibile in tempi clinicamente accettabili, tipicamente intorno a 2–3 cm. Questo valore è insufficiente per molte procedure su grandi ossa o per creare sedi stabili per protesi articolari e impianti voluminosi, ad esempio nell’anca o nel ginocchio. Inoltre l’energia che il fascio deposita sulle pareti del taglio viene assorbita progressivamente, riducendo l’efficienza di ablazione man mano che la fessura si approfondisce.
Il nuovo profilo di fascio “Top-Hat”
Il team guidato da Ferda Canbaz al Department of Biomedical Engineering dell’Universität Basel ha affrontato il problema intervenendo non tanto sulla potenza complessiva, quanto sulla distribuzione spaziale dell’intensità del fascio. Invece del classico profilo gaussiano, con intensità massima al centro e decadimento graduale verso i bordi, i ricercatori hanno adottato un profilo “Top-Hat”, in cui l’energia è distribuita in modo quasi uniforme sull’area utile e cade bruscamente ai margini. Questa configurazione consente di trasferire più energia effettiva sulla superficie ossea che deve essere rimossa, riducendo i picchi di intensità che potrebbero causare carbonizzazione locale.
Risultati sperimentali: fino a 4,4 cm di profondità
Nella pubblicazione su Scientific Reports, primo autore Mingyi Liu, il gruppo descrive esperimenti condotti su campioni di osso bovino con raffreddamento e pulizia continua del sito di incisione tramite aria compressa e irrigazione con acqua. Con un fascio a profilo gaussiano, la profondità di taglio si attestava intorno a 2,6 cm, in linea con i limiti storici riportati per la laser-osteotomia. Utilizzando il nuovo profilo Top-Hat, il sistema ha raggiunto una profondità di 4,4 cm mantenendo un’ablazione efficace anche nelle porzioni più profonde della fessura.
Efficienza e confronto con le seghe convenzionali
Nonostante il netto miglioramento in profondità, il laser resta più lento rispetto a una sega meccanica nel volume di osso rimosso per unità di tempo. I test indicano una capacità di ablazione di circa 0,4 mm³ al secondo, rispetto a circa 11 mm³ al secondo di una sega metallica, con un rapporto di oltre 20 a 1 a favore dello strumento tradizionale. I ricercatori sottolineano però che il laser offre vantaggi qualitativi, come un bordo di taglio più netto e potenzialmente una migliore risposta biologica dell’osso, aspetti che dovranno essere confermati da studi in vivo.
Controllo termico e qualità del margine osseo
Un altro elemento chiave è il controllo del carico termico: aumentare semplicemente la potenza del fascio comporterebbe il rischio di necrosi termica e carbonizzazione, con peggioramento della guarigione. Il profilo Top-Hat consente di distribuire l’energia in modo più uniforme, limitando zone di surriscaldamento puntuale e rendendo più efficaci le strategie di raffreddamento con aria e fluidi irriganti. Studi precedenti della stessa scuola di Basilea hanno mostrato che i tagli laser, se correttamente parametrizzati, possono favorire una guarigione più regolare rispetto a quelli effettuati con strumenti meccanici, grazie a bordi più lisci e ridotta microfratturazione.
Verso alloggi “a incastro” per impianti stampati in 3D
Una delle applicazioni più interessanti di questa tecnologia è la creazione di sedi ossee con geometrie complesse per impianti personalizzati, in particolare protesi articolari e componenti cranio-maxillo-facciali ottenuti con additive manufacturing. Progetti come MIRACLE II mirano a combinare robotica, imaging intraoperatorio e laser per ottenere tagli che permettano di “incastrare” fisicamente l’impianto nell’osso, migliorandone la stabilità primaria senza fare esclusivo affidamento su viti o cementi. In parallelo, l’uso sempre più diffuso di impianti specifici per paziente in titanio o PEEK, prodotti con tecniche CAD-CAM e stampa 3D, rende strategica la possibilità di realizzare sedi esattamente corrispondenti alla geometria del dispositivo.
Integrazione con pianificazione digitale e guide 3D
L’evoluzione verso chirurgia guidata da immagini e strumenti personalizzati è già evidente in diversi ambiti, dalle cranioplastiche con impianti customizzati agli innesti mandibolari realizzati a partire da modelli TC 3D e file STL. Il laser profondo sviluppato a Basilea si presta a essere integrato in flussi di lavoro in cui la pianificazione virtuale definisce sia la forma dell’impianto stampato in 3D, sia il percorso di taglio dell’osso eseguito da un sistema robotico o da un braccio guidato. In prospettiva, questo potrebbe ridurre la necessità di aggiustamenti intraoperatori manuali sugli impianti e sugli alloggi, migliorando ripetibilità e precisione.
Sicurezza e discriminazione dei tessuti
Un ulteriore filone di ricerca collegato ai lavori dell’Universität Basel riguarda sistemi laser capaci non solo di tagliare, ma anche di distinguere in tempo reale tra osso e tessuti molli. In studi precedenti, il gruppo ha descritto un approccio in due fasi: prima il laser esegue una mappatura ottica per identificare le diverse tipologie di tessuto, poi interviene solo dove è presente osso, controllando contemporaneamente la profondità del taglio. L’integrazione di queste funzioni con il nuovo profilo di fascio profondo è cruciale per trasferire la tecnologia alla pratica clinica, dove la protezione di strutture come vasi, nervi e cartilagine è essenziale.
Passi successivi verso l’applicazione clinica
Al momento i test sono stati condotti su ossa animali in condizioni sperimentali controllate, con particolare attenzione al raffreddamento, alla rimozione dei detriti e alla stabilità del posizionamento del fascio. I prossimi passi includono l’ottimizzazione dei parametri per aumentare ulteriormente la velocità di ablazione, la validazione su modelli anatomici più complessi e la valutazione della risposta biologica del tessuto osseo nei modelli in vivo. In parallelo, i partner industriali come Smith+Nephew lavorano sull’ingegnerizzazione del sistema in dispositivi medicali compatibili con l’ambiente operatorio, con l’obiettivo di ridurre le dimensioni, migliorare l’interfaccia chirurgica e integrare il laser in piattaforme robotiche.
