impiantate le prime protesi di ossa stampate in 3D

da un articolo del Corriere di Bologna del 15 giugno 2015

3DprintedLe cinque persone operate hanno circa 25 anni e le ossa del bacino compromesse da un tumore o dal fallimento di una protesi

Cinque ragazzi di età media 25 anni hanno protesi ossee stampate in 3D. Sono i primi impianti di questo tipo in Italia – un solo caso simile in letteratura medica nel febbraio 2014 in Inghilterra – sono stati fatti all’Istituto Ortopedico Rizzoli di Bologna. I ragazzi avevano le ossa del bacino compromesse da un tumore o dal fallimento di una precedente protesi. La progettazione delle protesi “su misura” si è basata sui dati del paziente, ricavati con tac e risonanza. È stato così realizzato un bacino virtuale, poi identificato il “pezzo” che andava sostituito. Queste e altri prospettive della stampa 3D in medicina verranno illustrati venerdì nella conferenza che sancirà la nascita dell’Italian Digital Biomanufacturing Network, che nasce per collegare gli sperimentatori che hanno raggiunto i risultati più avanzati nell’applicazione medica di questa tecnologia.

La stampante 3D realizza le protesi come se fossero pezzi mancanti di un puzzle tridimensionale, così poi “si incastrano” esattamente dove i chirurghi asportano la parte d’osso malata. Le protesi impiantate a Bologna sono in titanio. Il vantaggio, ha spiegato il Prof. Davide Donati (direttore dell’Oncologia ortopedica del Rizzoli, dove sono stati eseguiti gli interventi), è una ricostruzione che è la più appropriata possibile dal punto di vista anatomico dei rapporti tra femore e bacino. In poche parole, dopo l’intervento i pazienti hanno maggiore possibilità di riprendere a camminare correttamente. Ma gli obiettivi della stampa 3D in medicina sono ancora più ambiziosi: il “bioprinting” mira infatti a creare dispositivi su misura fatti da un mix di sostanze plastiche, ma anche umane. Oggi si usano già biomateriali come plastica o titanio – ha spiegato Pier Maria Fornasari, direttore della Banca del Tessuto Muscolo-scheletrico del Rizzoli – BioprintingIl vantaggio della manifattura a 3D è che può stampare negli strati di materiale le cellule del paziente. La cartuccia di materiale per la stampa può contenere cellule del paziente. Questo futuro, fatto di materiale umano mescolato a quello biocompatibile non umano, è davvero imminente: secondo me ci arriveremo tra sei mesi, un anno.

Un ambito che rappresenta un ulteriore campo di ricerca per il Rizzoli, dove al progetto della stampa 3D lavorano una quindicina di persone. Grazie a un finanziamento di oltre due milioni di euro da Ministero della Salute e Regione Emilia-Romagna sarà attivata una piattaforma di Bioprinting per la fabbricazione di dispositivi custom made fatta tramite l’acquisizione di immagini radiologiche da una Tac Dual Energy. Inevitabile sollecitare a Fornasari il ricordo del futuro descritto da Blade Runner, con “replicanti” costruiti in laboratorio. Ma il ricercatore è sfuggito alle suggestioni: “No, non è Blade Runner. È la medicina che è sempre più vicina alle esigenze del paziente, sempre più su misura. Da una parte con la genomica, dall’altra con la produzione di dispositivi o tessuti sempre più adeguati alle necessità chirurgiche del paziente“.

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Knee Replacement : some hints

Knee Replacement is a surgical procedure that aims to replace the weight-bearing surfaces of the knee joint. The proximal part of the tibia and the distal part of the femur may turn out to be damaged, either because of rheumatoid arthritis, osteoarthritis, or traumatic injury. Such suboptimal conditions of the knee articulation (the largest joint in the human body) lead to pain and disability for the patient. In order to restore perfect mobility conditions, after a bone cut procedure the orthopaedic surgeon removes the damaged bone parts and most of the cartilages and knee soft tissues. The geometry of the bones, which plays a key role for the joint stability and mobility, is completely restored by means of the installed prosthetic components. A common knee prosthesis consists of a femoral and a tibial component, a patellar cap and a polyethylene insert (that replaces the menisci). Components are designed so that smooth movements and minimal wear are always ensured. In order to make the components better join to the cut bones, a specific acrylic cement can be employed during the installation.

TKR

After the surgical operation the patient normally undergoes a rehabilitation period of about 6 months. The patient slowly “learns” how to perform daily activities with their brand new knee. The ideal surgical outcome consists, in the long term, in the possibility to live a normal life without being limited by the prosthesis for most daily activities.

total vs unicompartmentalThere are many different types of implants. When Knee Replacement is found to be necessary, the surgeon discusses with the patient about the clinical needs and all the possible implants. The basic principle is to reduce as much as possible the bone volume interested by the bone cut stage. Some people can benefit from just a partial (or unicompartmental) knee replacement, that is when the prosthesis replaces only one knee compartment (medial or lateral).

Concerning the material which prosthetic components are made of, there are many constraints. As already said, the set up of a proper compromise between stability and mobility of the prosthetic joint is a great surgical challenge. Thus, each component must be at the same time strong (enough to take weight-bearing loads) and flexible (enough to avoid undesired deformations and mechanical failure). But the most important constraint is represented by biocompatibility: the risk of rejection must be avoided. Biocompatibility strongly reduces the choice of usable materials (nowadays, prostheses are mainly in titanium or cobalt-chrome alloy).

revision surgery radioIn normal conditions, knee implants ensure a 15-20 years lifespan. When pathologies or suboptimal balance conditions occur on a prosthetic knee, this value is no longer ensured and risks being strongly reduced. In such cases, the only solution is represented by revision surgery. The patient undergoes a second Knee Replacement surgery in order to remove the suboptimal prosthesis and install a new one. This leads to a new hospitalisation period, a further bone cut procedure (revision components usually have longer stems that insert into the bones, as shown by the figure) and, of course, to a second rehabilitation period. Revision surgery always turns out to be more stressful than the first one: human body doesn’t appreciate when someone is playing with its parts, thus the probability of rejection increases and the recovery period gets harder.

My PhD project aims to develop a new generation of knee implants, able to compensate for suboptimal balance conditions without the need for revision surgery 🙂

sources: uno y dos