Ricerca collaborativa per lo sviluppo di stent personalizzati in nitinol stampati in 3D per bambini
L’uso di stent per il trattamento di bambini con cardiopatia congenita è impegnativo. Questo è uno dei motivi per cui il numero annuale di procedure di stent in questi casi rimane relativamente piccolo e anche nelle mani più esperte, l’inserimento di uno stent nel vaso sanguigno stretto di un bambino è una procedura seria, rischiosa e invasiva. Ciò è particolarmente vero perché gli stent sono fabbricati prevalentemente per adulti e hanno bisogno di alcune modifiche per essere utilizzati dai chirurghi pediatrici, limitandone la sicurezza e l’efficacia.
“Il problema è che di solito le aorte con cui i chirurghi hanno a che fare sono un po ‘troppo piccole per gli stent autoespandibili standard utilizzati per gli adulti. Se gli stent fossero progettati specificamente per l’anatomia di un bambino, i chirurghi sarebbero più propensi ad applicarli per ripristinare il flusso di sangue attraverso vasi ostruiti o stretti “, ha affermato Caitríona Lally, professore di bioingegneria nel Dipartimento di Ingegneria Meccanica e della Produzione e ricercatore principale nel Trinity Center for Biomedical Engineering presso il Trinity College di Dublino , in Irlanda, durante un’intervista con 3DPrint.com .
Lally funziona con Moataz Attallah, un esperto in metallo avanzati processi e professore di una produzione di materiali dvanced elaborazione presso la Scuola di metallurgia e dei materiali presso l’ Università di Birmingham , Regno Unito La loro ricerca collaborativa impiega produzione additiva (AM) di sviluppare una tecnica per la produzione su misura stent cardiovascolari in nitinol per pazienti pediatrici. Mentre Attallah sta guadagnando terreno con la vera produzione additiva e la caratterizzazione dei materiali, Lally lavora sulla progettazione dei dispositivi medici, oltre a comprenderne la resistenza meccanica e l’integrità.
Concentrandosi su un progetto per la stampa 3D di stent di nitinol specifici per paziente per pazienti pediatrici (3DP4Paeds), finanziato attraverso il programma del Premio per l’innovazione del National Children’s Research Center , Lally e Attallah sperano di far progredire la progettazione e la produzione di stent su misura in grado di affrontare le complessità e l’unicità di difetti strutturali nei bambini con deformità cardiache. Inoltre, Attallah ha condiviso i risultati iniziali della ricerca simultanea in corso su stent di nitinol periferici intelligenti finanziati dal Consiglio di ricerca in ingegneria e scienze fisiche (EPSRC) del Regno Unito , in collaborazione congiunta con Lally.
L’uso di tecniche di imaging medico per mappare l’anatomia specifica del cuore di un paziente e la stampa in metallo 3D per produrre uno stent che corrisponde alla forma del difetto strutturale del paziente, si traduce in un dispositivo medico che limiterebbe la necessità di modificare lo stent per adulti e garantire un lungo ottimale a lungo termine riducendo il rischio di danni ai tessuti da parte dello stent.
Per comprendere la logica alla base della stampa 3D degli stent in nitinol , Attallah suggerisce che è importante comprendere i limiti del processo convenzionale utilizzato per sviluppare gli stent, qualcosa che ha descritto come un’impresa molto “dispendiosa in termini di tempo e denaro”. Gli stent sono dispositivi a maglie metalliche che di solito sono prodotti mediante taglio laser diretto da un singolo tubo metallico molto grande.
” Se pensi al numero di passaggi e processi necessari per realizzare una struttura di stent molto flessibile e flessibile, probabilmente stai perdendo circa il 95% del materiale, e se lo stent è fatto di Nitinol, questo diventa un processo molto costoso in quanto questo la particolare lega metallica a base di nichel ha un costo molto elevato ”, ha spiegato Attallah. “Ma soprattutto, questo processo ignora l’opzione di personalizzazione, che è fondamentale per gli stent pediatrici. Sappiamo che la produzione di stent con produzione additiva è orientata alla medicina specifica per il paziente, che è la tendenza sanitaria del futuro e può portare a risultati più efficaci durante gli interventi di impianto di stent. ”
Ogni anno, circa due milioni di pazienti hanno gli stent impiantati in un’arteria malata del cuore, più frequentemente negli adulti. Lally ha descritto che, poiché il numero di stent necessari per i bambini è molto limitato, i produttori di stent in genere non vogliono produrli, principalmente perché sono costosi.
Negli Stati Uniti, i difetti cardiaci congeniti colpiscono quasi l’1% delle nascite ogni anno e, nel Regno Unito, fino a otto su 1.000 bambini nascono con questa condizione. Inoltre, Lally ha descritto gli stent sviluppati a Trinity come “ideale per una rara condizione congenita nota come coartazione aortica o restringimento dell’aorta, che è persino più rara dei difetti cardiaci congeniti generali”, interessando solo uno su 10.000 bambini. Questi numeri non sono chiaramente abbastanza alti per i migliori venditori del mercato globale degli stent vascolari da giustificare il fatto che i dispositivi personalizzati siano tagliati al laser e fabbricati in modo tradizionale.
“I chirurghi pediatrici si trovano spesso di fronte a prodotti che non sono ben progettati per lo scopo per cui li usano e finiscono per dover tagliare gli stent per adulti in chirurgia per adattarli ai neonati. Di conseguenza, non ottengono i risultati migliori da questi interventi chirurgici, come sanno che avrebbero se avessero un prodotto migliore con cui lavorare ”, ha affermato Lally. “Inoltre, uno stent ideale specifico per paziente impiantato in bambini piccoli seguirà la crescita naturale della nave, evitando ulteriori operazioni ed estendendo la durata della vita dei bambini.”
Di conseguenza, i ricercatori hanno scelto di lavorare su stent di nitinol fabbricati in modo addizionale abbastanza flessibili da adattarsi alla nave di un bambino, con l’ulteriore capacità di seguire la crescita naturale di quella nave per tutta la vita. Attallah è uno dei pochi ricercatori in tutto il mondo con esperienza nella stampa 3D di nitinol, che lavora con il materiale dal 2015 . Fino ad ora, il duo ha stampato con successo prototipi di stent in nitinol e li ha testati nei rispettivi laboratori.
Realizzato in titanio e nichel, il nitinol è una lega a memoria di forma con superelasticità e molto adatta per l’uso in dispositivi medici. A differenza di altri stent in acciaio inossidabile che mostrano un limitato grado di elasticità, le proprietà autoespandibili degli stent in nitinol offrono molte promesse per i pazienti pediatrici che richiedono gli stent per seguire la crescita naturale dei vasi.
Attallah ha rivelato che “cercare di personalizzare uno stent usando i metodi di produzione tradizionali può richiedere molto tempo, ma con la produzione additiva, il processo può essere eseguito molto più velocemente. Fino ad ora, non ci sono stati stent personalizzati stampati in 3D nelle applicazioni cliniche, ma siamo sicuri che una volta che passeranno dal banco al capezzale, saranno rivoluzionari, poiché è probabile che l’applicazione abbia un potenziale oltre l’uso cardiaco. Ma per ora, siamo ancora in una fase di sviluppo iniziale. ”
Secondo Lally e Attallah, arrivare allo stadio clinico in campo pediatrico può richiedere fino a tre anni in più, mentre gli stent personalizzati in nitinol AM per adulti dovrebbero richiedere molto più tempo. Questo perché i benefici immediati degli stent specifici per il paziente possono essere significativamente più elevati nei bambini e c’è una necessità urgente di migliorare i meccanismi per produrre efficacemente gli stent per i bambini.
“Nell’area pediatrica si può dire che la stampa 3D può affrontare cose che altre tecniche di produzione non possono”, ha affermato Lally.
La stampa 3D aggiunge anche flessibilità al design. I due ricercatori stanno creando prodotti complessi con elevata precisione geometrica che possono essere rastremati per assicurarsi che tengano conto dell’anatomia del paziente molto specifica senza bloccare alcun ramo laterale critico o arterie più piccole.
“A differenza della maggior parte del design di stent, che è stato limitato dal fatto che deve essere trasformato in un cilindro e un taglio laser, AM offre la libertà di progettazione di produrre parti specifiche del paziente tenendo conto delle biforcazioni, per esempio”, ha detto Lally . “La maggior parte di questi stent andrebbe in vasi che hanno molti rami che non dovrebbero essere ostruiti, quindi l’impianto di uno stent standard che ostruisce i vasi ramificati può causare più danni che benefici. Questi nuovi dispositivi medici saranno stampati per adattarsi all’anatomia del singolo bambino e, pertanto, avranno maggiori probabilità di fornire un risultato clinico migliore a lungo termine. “
I progetti per gli stent in nitinol stampati in 3D vengono prodotti presso l’Università di Birmingham utilizzando le stampanti 3D in metallo Concept Laser di GE Additive , mentre il Trinity College impiega stampanti SLM per il lavoro.
Affrontare i limiti degli stent fabbricati tradizionalmente usando la AM potrebbe essere utile non solo durante l’operazione e poco dopo, ma anche a lungo termine. Attallah spiega che, sfortunatamente, molti stent standardizzati possono fallire dopo una procedura, e quando ciò accade, i chirurghi devono “pescarli” attraverso una procedura molto complessa.
“Avevamo bisogno di affrontare la radiopacità dei nostri stent, ovvero lo stent deve essere radio-opaco per essere visibile ai medici. Quindi, uno dei primi sviluppi nel progetto è stato la stampa di stent in nitinol che contenevano fino al 10 percento di metalli preziosi usati come materiale marcatore, che aiutano il dispositivo medico a essere visto ai raggi X, aiutando i chirurghi a sapere esattamente dove si trova lo stent in modo che può essere impiantato e rimosso con maggiore facilità “, ha detto Attallah.
Ma questo non è l’unico problema con gli stent standardizzati. Secondo Lally, può esserci anche una “risposta biologica dal posizionamento del dispositivo”, con un’eccessiva crescita cellulare che può bloccare nuovamente il vaso con conseguente ristenosi.
“Questo è di solito correlato al livello di carico posizionato sul tessuto durante lo stenting, che può portare a danni e lacrime e un alto rischio di ristenosi. La modellazione specifica del paziente, gli strumenti software e la stampa 3D aiutano a progettare uno stent più adatto a una particolare geometria, garantendo che i chirurghi espandano solo le aree che devono essere espanse, evitando i rischi di restringimento delle valvole dopo l’impianto dello stent ”, ha affermato Lally .
Mentre la loro ricerca avanza, Attallah e Lally sperano di vedere i benefici della tecnologia personalizzata degli stent come trattamenti personalizzati che ridurranno i costi in futuro
“L’attuale crisi COVID-19 ha evidenziato il ruolo della produzione distribuita. Guardando avanti, immagino strutture centralizzate che verranno elaborate per la progettazione di stent personalizzati basati sui dati inviati dagli ospedali. Una volta provati i progetti e sviluppato una procedura, lo stent verrà distribuito in ospedale, portando a un processo più robusto per l’inserimento dello stent ”, ha concluso Attallah. “I processi di personalizzazione per abilitare gli stent di produzione che corrispondono alle caratteristiche biologiche e anatomiche di un paziente saranno rivoluzionari, ed è quello a cui stiamo mirando.”
