PROtesi bioMEdicali medianTE fOrmatura Incrementale e Superplastica – PROMETEO

Risultato della ricerca:

I risultati della ricerca che si intende proporre per una possibile valorizzazione a livello industriale nascono da un progetto PRIN finanziato dal MIUR (www.BioForming.it) e da attività di ricerca condotte non solo in reciproca collaborazione tra i proponenti, ma anche con partner internazionali, sull’utilizzo delle leghe di Magnesio (Mg).
Tali risultati sono documentati da lavori scientifici su riviste del settore “Tecnologie e Sistemi di Lavorazione” ed hanno alla base una tematica di ricerca propria dell’area Salute: le protesi
biomedicali.
Tra i risultati eccellenti del progetto PRIN BioForming vi è la definizione di una metodologia per realizzare protesi custom in lega di Titanio (Ti) (cfr. figura): vengono toccati tutti gli aspetti
fondamentali, dalla customizzazione al soddisfacimento di precisi requisiti resistenziali, nonché la progettazione di processo con approccio numerico.
Risultati del PRIN BioForming sono cosi sintetizzati:
I. Ricostruzione della zona danneggiata per mezzo di Decision Support Tool che definisce la geometria finale dell’impianto protesico non solo con la finalità di ricoprire la zona danneggiata, ma anche di avere un adeguato sistema di ancoraggio. [C. Ciancio et al., MATEC Web Conf,., 80, 2016];
II. Progettazione e realizzazione di un processo per la produzione di protesi biomedicali efficace ed efficiente, ovvero con processi innovativi quali il Super Plastic Forming (SPF) [D. Sorgenteet al., Int. J. Adv. Manuf. Tech., 90, 2017; G. PALUMBO,et al. J of Manufacturing Science & Engineering, Transactions of the ASME 140(9), 2018; D. Sorgente et al, CIRP J. of Manuf. Science and Techn., Vol 20, 2018, pp 29-35]e il Single Point Incremental Forming(SPIF) [Ambrogio G. et al, KEM 651-653] per la produzione di un caso di studio (protesi craniale);
III. Valutazione delle performance dell’impianto: è stato messo a punto un setup sperimentale per la caratterizzazione delle protesi craniali con drop tests [E. SGAMBITTERRA et al., Intern. J. of Advanced Manuf.Techn. 98(5-8), 2018, pp. 1489- 1503].
I risultati degli studi circa l’utilizzo delle leghe di Mg, attraenti per il settore biomedicale perché ampiamente biocompatibili nonché riassorbibili e caratterizzate da proprietà meccaniche molto
vicine a quella delle ossa, sono cosi sintetizzati:
IV. Sviluppo di leghe di Mg adatte al processo di SPF [P. Guglielmi et al., JOM, 71(6), 2019, pp. 2087- 2096];
V. Controllo delle caratteristiche post-formatura: utilizzo di tecnologie innovative per variare il comportamento superplastico delle leghe di Mg mediante alterazione della microstruttura [D. Sorgente et al., Mater.Sci. Forum, 941 MSF, 2018, pp. 1270-1275].
VI. Applicazione di leghe di Mg in campo biomedicale [G. Palumbo et al., Materials Today: Proceedings 7, 2019, pp. 394-401; G. Ambrogio et al., CIRP Annals 57/1, 2008, Pp. 257-260].
VII. Modellazione numerica del processo SPF di leghe di Mg [P. Guglielmi et al. AIP_Conference Proceedings 2113, 2019, Art. N. 170011].

Riferimento a finanziamenti precedenti:

I proponenti hanno una pluriennale esperienza nella progettazione e ottimizzazione dei processi tecnologici SPF e SPIF alla base della ricerca in oggetto, documentata da oltre un centinaio di pubblicazioni. In più, specificatamente all’applicazione in ambito biomedicale, hanno condiviso la predisposizione e realizzazione di un Progetto di Ricerca Fondamentale PRIN 2012 “BioForming” (www.bioforming.it) nel quale hanno messo a punto e validato una strategia “end-to-end”, che parte dalla misurazione del danno sul paziente (TAC, file DICOM) e passa dalla virtualizzazione e progettazione della protesi fino alla realizzazione e validazione dell’impianto custom.
Tali attività sono state condotte in riferimento alla realizzazione di protesi craniche in Titanio, ma l’expertise dei proponenti è tale da essere fiduciosi dell’applicabilità della medesima
metodologia su altre geometrie e altri materiali.

Innovatività rispetto a soluzioni già esistenti:

Il PRIN BioForming ha portato alla definizione di una procedura per progettazione ed esecuzione di protesi completamente “patient oriented” che, sfruttando un protocollo standard di condivisione tra chirurgo — progettista bio-ingegnere e ingegnere di processo, consente di individuare per ogni paziente/patologia il migliore device, sia in termini di geometria, che di processo e sistema di ancoraggio. Gli standard attuali nella cranioplastica, ma in generale nel protesico, si basano su due approcci molto lontani da quanto proposto.
La prima opzione, a cui si ricorre nella maggior parte dei casi, prevede l’impiego di protesi standard che richiedono un adattamento del difetto del paziente alla geometria imposta.
La seconda opzione riguarda la predisposizione di protesi custom made, progettate al fine di riprodurre l’anatomia della parte mancante e ridurre al minimo gli inestetismi. Viceversa,
l’approccio collaudato in BioForming sottintende la personalizzazione non solo della geometria effettiva del danno ma anche la progettazione del migliore sistema di ancoraggio della protesi
al difetto osseo, tenuto conto delle peculiarità di quest’ultimo (dimensioni, localizzazione, ecc), avvalendosi di tecniche in grado di ridurre costi e tempi di fabbricazione.

Recentemente Kwarcinski et al [Appl. Sci. 2017, 7, 276] ha quantificato le cause maggiori di decesso negli interventi di cranioplastica, attribuendo le ragioni prevalentemente alle infezioni postintervento, causate non tanto da una cattiva scelta di materiale quanto da altri fattori di rischio, come l’aumento del tempo chirurgico, il numero di revisioni e il tempo tra le revisioni.
L’approccio proposto supera tali limiti con l’uso di protesi specifiche, che aderiscono meglio al difetto del paziente, e tempi di intervento rapidi. Tanto lo strumento di progettazione predisposto quanto l’impiego di tecnologie snelle e flessibili, più rapide sia delle convenzionali che delle additive, sono punti di forza e originalità.

Titoli di proprietà intellettuale:

Le attività svolte durante il Progetto PRIN BioForming sono oggetto di pubblicazioni congiunte trai proponenti su riviste scientifiche di alto impatto o su proceeding di conferenze scientifiche. Di seguito una sintesi:
– A. PICCININNI et al., “Biomedical Titanium alloy prostheses manufacturing by means of Superplastic and Incremental Forming processes”, MATEC Web of Conf., 80, 2016.
– PalumboG. et al. “Modelling the superplastic behaviour of the Ti6AI4V-ELI by means of a numerical/experimental approach”, International J. of Advanced Manuf. Technology, 90/1-4, 2017, 1-10;
– G. Ambrogio et al. “Experimental investigation of the mechanical performancesoftitanium cranial prostheses manufactured by superplastic forming and single-point incremental forming”; Intern. J. of Advanced Manuf.Techn. 98(5-8), 2018, 1489-1503;
– D. Sorgente et al.. “Forming behaviour at elevated temperature of a laser heat-treated az31 magnesium alloy sheet”, Mater. Sci. Forum , 941 MSF, 2018, 1270-75.

Principali applicazioni e mercato di riferimento:

Le tecniche proposte potranno essere applicate su di un qualsiasi caso clinico, per es. dello sterno a seguito di interventi di cardiochirurgia, 0 di protesi ortopediche quali quelle utilizzate nel caso di fratture di ossa piccole e/o dalla geometria complessa (per es. clavicola) o nel maxillofacciale, per la ricostruzione di uno zigomo o della mandibola.
Nel primo caso, a volte può sorgere l’esigenza di ricostruire parte delle ossa dello sterno a seguito di interventi cardiochirurgici in sternotomia particolarmente invasivi, o di complicazioni
che insorgono a valle dell’intervento (quali per es. infezioni che compromettono le funzioni di supporto del sistema osseo dello sterno) a seguito delle quali è necessario ripristinare (anche
temporaneamente) le funzioni di sostegno del sistema osseo.
Negli altri casi si tratta invece di andare incontro a particolari esigenze nel campo della chirurgia ortopedica e maxillofacciale, curando chirurgicamente delle fratture utilizzando dei supporti customizzati che permettano una guarigione ottimale delle fratture o il recupero delle funzionalità ossee, tra l’altro in ambiente aggressivo per la presenza di tessuti molli come la bocca.
Attività di ricerca parallele condotte dai proponenti negli anni consentono di affermare che le tecnologie impiegate così come l’intera metodologia testata nel progetto BioForming, sono
assolutamente esportabili ed applicabili anche ad altre tipologie di metalli appartenenti alla famiglia dei bio-materiali, come ad es. le leghe di Mg che, per le sue peculiarità, consentirebbe
di ingegnerizzare una soluzione “patient oriented” rendendo non necessario ulteriori interventi di rimozione della protesi.
Facendo una sommatoria di quanto precedentemente descritto, le potenzialità applicative e, soprattutto, le potenzialità di miglioramento e di attrattività delle tecnologie proposte risultano
certamente di rilevante interesse per il settore dei medical devices.
In Italia il settore delle scienze della vita, che include oltre all’l’industria farmaceutica, biotecnologica ed i servizi sanitari anche quella della produzione di dispositivi biomedici, rappresenta uno dei settori di punta del Paese e può contribuire significativamente allo sviluppo economico nazionale. Questo settore ha dato un grande contributo all’economia nazionale, riuscendo a resistere alla crisi economica degli anni scorsi, incidendo su PIL (filiera + indotto) per un valore pari al 10% [Assolombarda Rapporto n. 10/2017].

Il comparto dei medical devices rappresenta oggi uno dei settori a più alto contenuto di tecnologia e ricerca, in cui l’Italia è all’avanguardia dal punto di vista tecnologico e può contare su realtà produttive d’eccellenza. Il settore dei dispositivi medici si colloca al 4° posto tra i primi 12 settori di beni e servizi a livello nazionale. Il principale mercato di destinazione dei dispositivi medici è quello della sanità pubblica, che assorbe circa il 70% delle vendite. Nel settore dei dispositivi medici operano 4.232 imprese, di cui 349 start up [Assobiomedica 2016]. Circa il 69% delle imprese e oltre l’83% del fatturato si concentrano in 5 regioni: Emilia Romagna, Lombardia, Lazio, Toscana e Veneto. In Calabria, dal punto di vista dell’interventistica protesica, i poli ospedalieri operano significativamente sia nell’esecuzione di interventi di chirurgia ortopedica sia cardiologica e neurologica.

Per tale ragione appare utile supportare realtà produttive locali nonché provare a far crescere la Sanità che, pur erogando servizi di assistenza e chirurgia protesica, dipende fortemente dai fornitori del Centro-Nord. La valorizzazione delle attività di più realtà satelliti nell’area del Mezzogiorno avrebbe un positivo impatto sulla riduzione dei tempi, con la duplice finalità di accelerare il processo di cura dei pazienti che si rivolgono ai centri ospedalieri di suddetta area e che a tutt’oggi risultano penalizzati dal fattore logistico.

Esigenze per l’ulteriore sviluppo – Industrializzazione:

L’innalzamento del TRL dei risultati già raggiunti nel frame del progetto PRIN BioForming e nelle ulteriori ricerche finora condotte sui materiali di interesse biomedicale (Ti e Mg) è possibile ma solo mediante la collaborazione con un partner aziendale del settore biomedicale che valorizzi quanto realizzato e validato in laboratorio su due aspetti specifici.
La commercializzazione di dispositivi protesici, infatti, richiede un iter di sperimentazione preclinica molto più lungo e complesso rispetto alla durata di un singolo progetto (sono tutti step
necessari prima di poter affermare la completa validità della soluzione e la commerciabilità dei dispositivi).
In primis è quindi necessario avvalersi di una realtà che al suo interno possegga competenze e facilities tecnologiche, tali da consentire di testare (anche solo in parte) in un ambiente reale/industriale quanto comprovato l’attività progettuale e di ricerca finora condotta dai proponenti. Al tempo stesso è necessario avvalersi della collaborazione con una azienda che
contempli un laboratorio di analisi biologiche in modo da completare la validazione della procedura e della protesi in sé mediante analisi bio-chimiche specifiche (quali ad esempio
citotossicità e biocompatibilità, ma anche test di corrosione su biomateriali biodegradabili quali le leghe di Mg,) ovvero mediante sperimentazione in vitro.
Per tale ragione il partner ideale, fondamentale per l’ulteriore sviluppo dell’idea, è quella realtà che combina all’interno tanto glia spetti industriali “hard” quanto le competenze mediche e
biologiche