Un gruppo di ricercatori della University of Chemistry and Technology Prague, conosciuta nella Repubblica Ceca con la sigla VŠCHT Praha, sta sviluppando impianti ortopedici in titanio prodotti mediante stampa 3D e progettati per svolgere una doppia funzione. Oltre a sostituire o ricostruire una parte danneggiata dell’apparato scheletrico, gli impianti potrebbero trasportare sostanze terapeutiche e rilasciarle nella zona interessata dopo l’intervento chirurgico.
Il progetto coinvolge anche i medici del Motol University Hospital di Praga, una delle principali strutture sanitarie della Repubblica Ceca. La collaborazione unisce le competenze della VŠCHT Praha nello studio dei metalli, dei biomateriali e dei processi additivi con l’esperienza clinica del Motol University Hospital nel trattamento delle patologie ortopediche e nell’impiego di dispositivi personalizzati.
Il lavoro non riguarda soltanto la forma esterna dell’impianto. I ricercatori stanno studiando la possibilità di controllarne la struttura interna, la dimensione dei pori, le proprietà meccaniche e il comportamento biologico. Gli spazi realizzati all’interno del titanio possono favorire la crescita del tessuto osseo e, nello stesso tempo, funzionare come serbatoi per antibiotici o altre sostanze destinate al periodo successivo all’operazione.
Una nuova stampante metallica per la ricerca della VŠCHT Praha
Per sostenere il programma, la VŠCHT Praha ha installato una stampante 3D metallica AMCM M 290-1 FLX, prodotta da AMCM sulla base della piattaforma tecnologica sviluppata da EOS.
AMCM è una società specializzata nella realizzazione e nella personalizzazione di sistemi per la produzione additiva metallica. AMCM opera all’interno dell’ecosistema industriale di EOS, azienda tedesca attiva nello sviluppo di stampanti, materiali e processi per la fabbricazione additiva con metalli e polimeri.
L’attrezzatura acquistata dalla VŠCHT Praha ha un valore indicato dall’università in circa 29 milioni di corone ceche. La macchina è stata acquisita nell’ambito del progetto dedicato all’ingegneria meccanica dei sistemi biologici e bioispirati, sostenuto da finanziamenti europei attraverso il programma ceco OP JAK.
La AMCM M 290-1 FLX utilizza un laser da 1,2 kilowatt e consente di modificare la forma del fascio durante la lavorazione. La possibilità di passare da un fascio concentrato a configurazioni più ampie permette di affrontare zone del componente con esigenze differenti. Le parti sottili e le strutture reticolari richiedono un controllo accurato dei dettagli, mentre le sezioni più massicce possono essere prodotte con strategie orientate alla velocità e alla gestione dell’energia.
Secondo AMCM, il sistema può utilizzare diverse modalità del fascio laser e variare il diametro dello spot. Queste funzioni sono importanti per la ricerca perché permettono di studiare come i parametri di processo influenzino densità, rugosità, resistenza, porosità e microstruttura del titanio.
Come viene prodotto un impianto metallico con la stampa 3D
La tecnologia impiegata appartiene alla famiglia della fusione laser a letto di polvere. Il processo parte da un modello digitale tridimensionale, ottenuto attraverso la progettazione CAD o elaborando le immagini anatomiche del paziente, come quelle ricavate da una tomografia computerizzata.
Il modello viene suddiviso dal software in una successione di strati. All’interno della stampante, un sistema di distribuzione deposita uno strato sottile di polvere metallica sulla piattaforma di costruzione. Il laser fonde soltanto le zone corrispondenti alla sezione del componente. Dopo la solidificazione, la piattaforma si abbassa e viene applicato un altro strato di polvere.
La sequenza prosegue fino al completamento del pezzo. Per l’esempio di un impianto destinato al ginocchio, il gruppo ceco ha indicato una costruzione composta da circa 1.300 strati e una durata di stampa vicina alle dieci ore e mezza.
La stampa rappresenta soltanto una parte del ciclo produttivo. Al termine della costruzione, il componente deve essere separato dalla piattaforma, liberato dalla polvere residua e sottoposto alle operazioni previste dal processo qualificato. In base al progetto possono essere necessari trattamenti termici, rimozione dei supporti, lavorazioni meccaniche, finitura superficiale, pulizia e controlli dimensionali.
Per un dispositivo impiantabile devono essere valutate anche la composizione del materiale, la presenza di contaminanti, la sterilizzabilità e la ripetibilità del processo. Ogni modifica dei parametri di stampa può influenzare le proprietà finali e deve quindi essere analizzata prima di un eventuale utilizzo clinico.
Impianti personalizzati a partire dalle immagini del paziente
Uno degli obiettivi della VŠCHT Praha è produrre componenti adattati all’anatomia del singolo paziente. Le immagini ottenute con una tomografia computerizzata possono essere convertite in un modello digitale dell’osso o dell’articolazione.
I progettisti possono utilizzare il modello per definire la geometria dell’impianto e le superfici che dovranno entrare in contatto con il tessuto. Questa procedura può risultare utile nei casi in cui un dispositivo standard non si adatti al difetto anatomico, per esempio dopo un trauma, una resezione tumorale, una grave perdita di tessuto osseo o una precedente operazione.
La personalizzazione non consiste soltanto nel replicare la forma dell’osso. È necessario valutare la distribuzione dei carichi, i sistemi di fissaggio, l’accesso chirurgico e il margine disponibile per posizionare il dispositivo. La progettazione viene quindi sviluppata attraverso il confronto tra ingegneri, specialisti dei materiali e chirurghi.
Il Motol University Hospital dispone di esperienza nell’impiego di impianti ortopedici progettati sulla base delle immagini del paziente. Nel 2024 i medici dell’ospedale hanno eseguito una sostituzione parziale personalizzata della testa del femore in un paziente affetto da necrosi ossea. Il dispositivo presentava una superficie articolare liscia e una zona porosa rivolta verso l’osso, con lo scopo di favorire la stabilizzazione biologica.
Il progetto della VŠCHT Praha dedicato al rilascio dei farmaci estende questo approccio, aggiungendo alla personalizzazione geometrica una funzione terapeutica da incorporare nella struttura dell’impianto.
Perché la porosità è importante
L’osso non è un materiale completamente pieno e uniforme. La sua organizzazione comprende strutture compatte e zone porose attraversate da vasi, fluidi e tessuti. La stampa 3D permette di riprodurre reticoli e cavità con geometrie difficili da ottenere attraverso lavorazioni tradizionali.
I ricercatori cechi stanno lavorando su pori con dimensioni comprese tra alcune decine e alcune centinaia di micrometri. La geometria deve essere scelta considerando più obiettivi. Gli spazi devono essere sufficientemente interconnessi per permettere la penetrazione dei fluidi e la crescita del tessuto, ma la struttura deve mantenere la resistenza necessaria a sopportare i carichi.
Una porosità elevata riduce la quantità di metallo presente nel componente e può modificarne la rigidezza. Questo aspetto è rilevante perché un impianto molto più rigido dell’osso può assorbire una parte eccessiva del carico. La distribuzione non fisiologica delle sollecitazioni può contribuire alla perdita di tessuto osseo intorno al dispositivo.
Attraverso le strutture reticolari, gli ingegneri possono cercare di avvicinare il comportamento meccanico dell’impianto a quello dell’area anatomica da ricostruire. Il risultato dipende dal tipo di titanio, dalla geometria delle celle, dalla percentuale di vuoto, dall’orientamento di stampa e dai trattamenti eseguiti dopo la produzione.
La superficie porosa può inoltre offrire punti di ancoraggio per la crescita ossea. L’obiettivo è ottenere un collegamento stabile tra il tessuto e il dispositivo, limitando i micromovimenti che possono compromettere l’integrazione.
L’impianto come sistema per il rilascio locale dei farmaci
Gli stessi pori destinati all’integrazione con l’osso possono essere utilizzati per contenere un materiale caricato con sostanze terapeutiche. Prima dell’intervento, la struttura potrebbe essere impregnata con una formulazione selezionata in base alle esigenze del paziente.
Nel prototipo mostrato dal gruppo della VŠCHT Praha, il materiale introdotto nei pori comprende composti a base di solfati, fosfati e argento. L’argento viene studiato in numerosi biomateriali per le sue proprietà antibatteriche. Il sistema comprende anche vancomicina, un antibiotico impiegato nel trattamento di infezioni causate da batteri Gram-positivi.
L’obiettivo è raggiungere una concentrazione elevata del farmaco nel punto in cui esiste il rischio di contaminazione, riducendo la dispersione verso altre parti dell’organismo. Il rilascio locale potrebbe affiancare le terapie sistemiche definite dai medici, senza sostituirle automaticamente.
La funzione terapeutica non dipende soltanto dalla quantità di antibiotico presente. Il gruppo deve individuare un materiale vettore biocompatibile, capace di trattenere il farmaco durante la preparazione e di rilasciarlo con una velocità controllata dopo l’impianto.
Un rilascio troppo rapido potrebbe esaurire la sostanza nelle prime ore o nei primi giorni. Una fuoriuscita troppo lenta potrebbe non raggiungere la concentrazione necessaria. Il materiale vettore deve inoltre degradarsi senza produrre sostanze dannose e senza interferire con la crescita delle cellule ossee.
Il problema delle infezioni associate agli impianti
Le infezioni rappresentano una delle complicazioni più complesse della chirurgia protesica. I batteri possono aderire alla superficie del dispositivo e formare un biofilm, cioè una comunità protetta da una matrice che riduce l’efficacia delle difese immunitarie e dei trattamenti antibiotici.
Quando l’infezione si stabilizza intorno a una protesi, il trattamento può richiedere interventi chirurgici, pulizia dei tessuti, sostituzione del dispositivo e terapie farmacologiche prolungate. La difficoltà aumenta quando il batterio è resistente agli antibiotici o quando il biofilm si è sviluppato nelle zone meno accessibili.
La vancomicina è studiata per i sistemi di rilascio locale perché può agire contro microrganismi coinvolti nelle infezioni ortopediche, tra cui alcuni ceppi di Staphylococcus aureus. Tuttavia, la semplice applicazione di polvere antibiotica durante un intervento non equivale a un impianto progettato per il rilascio controllato.
Le analisi cliniche pubblicate sull’uso preventivo della vancomicina in polvere nelle artroprotesi hanno prodotto risultati non uniformi. Le ricerche sui dispositivi porosi cercano invece di sviluppare sistemi nei quali la quantità, la durata e la distribuzione del farmaco possano essere controllate attraverso un materiale vettore.
Studi preclinici condotti da altri gruppi hanno valutato impianti porosi in lega di titanio caricati con idrogel contenenti vancomicina. I risultati ottenuti in laboratorio e nei modelli animali indicano che la combinazione può sostenere l’attività antibatterica e l’integrazione ossea. Questi dati non dimostrano però che la stessa soluzione sia già sicura ed efficace negli esseri umani.
Il possibile ruolo di argento, fosfati e solfati
Il prototipo della VŠCHT Praha integra componenti con funzioni differenti. I fosfati possono essere utilizzati in materiali destinati al contatto con l’osso perché alcuni composti presentano una composizione vicina alla fase minerale del tessuto. La loro presenza può contribuire a creare un ambiente favorevole all’interazione con le cellule.
I solfati possono partecipare alla formazione del supporto destinato a dissolversi dopo l’impianto. La velocità di dissoluzione deve essere calibrata in rapporto alla dose e alla durata della terapia.
L’argento introduce un’azione antibatterica che non dipende dallo stesso meccanismo della vancomicina. La quantità deve però essere controllata, poiché una concentrazione eccessiva può risultare dannosa anche per le cellule del paziente.
La combinazione di questi elementi richiede una valutazione complessiva. Un materiale può mostrare una buona attività antibatterica ma ostacolare l’adesione delle cellule ossee. Un altro può favorire l’integrazione biologica ma liberare il farmaco troppo velocemente. La fase sperimentale serve a trovare un equilibrio tra queste proprietà.
Il contributo della AMCM M 290-1 FLX
La stampante prodotta da AMCM offre al gruppo della VŠCHT Praha la possibilità di variare la forma del fascio laser e di studiare strutture con caratteristiche differenti all’interno dello stesso componente.
Un fascio piccolo e concentrato può essere impiegato per realizzare elementi sottili e dettagli minuti. Una distribuzione dell’energia a forma di anello può essere usata per fondere aree più ampie o gestire il calore in modo diverso.
La flessibilità è utile nella costruzione di un impianto composto da una parte compatta, destinata a sostenere il carico, e da una zona porosa, progettata per entrare in contatto con l’osso. Il ricercatore può analizzare strategie di esposizione differenti senza dover cambiare piattaforma.
AMCM specifica che i processi sviluppati sulla macchina devono essere qualificati per ogni applicazione. Nel settore medicale non è sufficiente dimostrare che la stampante riesca a produrre la geometria desiderata. Devono essere documentate la stabilità del processo, le proprietà del materiale e la ripetibilità tra costruzioni differenti.
Anche la polvere richiede controlli. Il numero di cicli di riutilizzo, la presenza di ossigeno, la distribuzione delle dimensioni delle particelle e le condizioni di conservazione possono influire sul risultato.
Dalla ricerca all’impiego sui pazienti
La collaborazione tra VŠCHT Praha e Motol University Hospital non indica che gli impianti caricati con farmaci siano già entrati nella pratica clinica. Il progetto deve risolvere questioni relative al vettore, alla sterilizzazione, alla stabilità del farmaco, alla quantità rilasciata e alla risposta biologica.
Prima di un impiego sugli esseri umani sono necessarie verifiche meccaniche, chimiche e biologiche. Devono essere studiati gli effetti del processo di sterilizzazione sull’antibiotico e sul materiale che lo contiene. Il sistema deve mantenere le proprie caratteristiche durante la conservazione e liberare il farmaco in modo riproducibile.
Occorre inoltre dimostrare che la presenza del farmaco e dei componenti antibatterici non impedisca l’integrazione dell’osso. La valutazione dovrà comprendere la risposta dei tessuti, il rischio di tossicità, la formazione di biofilm e l’eventuale sviluppo di resistenze batteriche.
Un dispositivo che combina la funzione meccanica di un impianto con il rilascio di una sostanza farmacologica può richiedere un percorso regolatorio più complesso rispetto a una protesi tradizionale. La documentazione deve considerare sia il comportamento strutturale del componente sia la sicurezza e l’efficacia del trattamento rilasciato.
Un progetto che collega produzione additiva e biomateriali
Il lavoro della VŠCHT Praha mostra come la produzione additiva metallica possa essere impiegata non soltanto per personalizzare la forma di una protesi, ma anche per controllarne le funzioni biologiche.
La porosità progettata digitalmente può favorire la crescita dell’osso, ridurre la rigidezza del componente e creare uno spazio per il trasporto di sostanze terapeutiche. La AMCM M 290-1 FLX consente al gruppo di studiare queste variabili con una maggiore libertà nella gestione del laser e della microstruttura.
Il Motol University Hospital fornisce al programma il collegamento con le necessità chirurgiche e con i problemi osservati nella pratica clinica. AMCM ed EOS contribuiscono attraverso la piattaforma produttiva utilizzata per fabbricare i campioni e gli impianti sperimentali.
Il passaggio decisivo riguarderà la capacità di trasformare un prototipo di laboratorio in un sistema ripetibile, sterilizzabile e valutabile dal punto di vista clinico. La funzione di rilascio dovrà essere adattata alla durata del trattamento, al tipo di intervento e alle caratteristiche del paziente.
La ricerca ceca si inserisce così in un campo nel quale ortopedia, metallurgia, farmacologia e stampa 3D devono essere sviluppate insieme. La geometria dell’impianto, il materiale vettore e il farmaco non possono essere trattati come elementi separati: ogni componente modifica il comportamento complessivo del dispositivo.
