Con la stampa 3D, NEMOLAB mette a punto il tutore “polso-mano” che mima le proprietà eccezionali della natura.

Quando il fascino e la perfezione della natura incontrano l’ingegno dell’uomo nascono opportunità e progetti straordinari.

È il caso del bozzolo del baco da seta che ha ispirato i ricercatori di NEMOLAB, l’hub di ricerca tecnologica dedicato alle malattie neuromuscolari, nel realizzare con la tecnologia della stampa tridimensionale (3D) il primo “tutore polso-mano” bio-ispirato. L’ortesi, infatti, riproduce la struttura reticolare del bozzolo dei bachi, “mimando” le sue eccezionali proprietà meccaniche di flessibilità, traspirabilità e resistenza, per un ausilio estremamente leggero e resiliente nella sua capacità di sapersi adattare alle necessità di ogni paziente.  

Due anni di ricerca del team di 3D printing Lab – uno dei 10 laboratori di NEMOLAB – i cui risultati sono stati pubblicati sulla rivista Biomedicines, e che hanno visto il finanziamento “Sviluppo di soluzioni innovative 4.0” di Regione Lombardia e Unioncamere Lombardia, con il sostegno volontario del Rotary Club Milano Linate.

Un cambio radicale di approccio per la realizzazione di una ortesi fondamentale nel supportare il progressivo indebolimento dei muscoli della mano, sintomo al quale incorre chi affronta una malattia neurodegenerativa grave come la SLA, ma che può rendersi necessaria anche per coloro che vivono con la SMA o una distrofia muscolare o, ancora, per la malattia di Parkinson e per le lesioni spinali.

I risultati di questo percorso di ricerca scientifico-tecnologica scaturiscono dalla conoscenza e dall’osservazione sugli unmet needs delle persone con patologie neuromuscolari – dichiara Stefano Regondi, Direttore generale di NEMOLAB e dei Centri Clinici NeMO, che prosegue – La vocazione scientifica dell’hub tecnologico NEMOLAB prende avvio dall’esperienza clinica dei Centri NeMO e l’invenzione di un tutore form-fitting sintetizza il precipitato di conoscenza che deriva dalla prassi clinica quotidiana, con l’ingegno esercitato in questo caso nel dominio di conoscenza dell’ingegneria dei materiali. Questa sintesi tra pratica clinica e ricerca scientifico-tecnologica è il punto propulsivo delle 41 sperimentazioni attive e in corso presso i nostri laboratori.

Afferrare, scrivere, tagliare il cibo o aprire una porta sono gesti quotidiani che nel tempo diventano difficili, fino ad essere impossibili per chi vive con questa patologia. Intervenire, allora, con supporti esterni che riposizionano la mano in un atteggiamento posturale corretto è fondamentale per prevenire contratture articolari, contrastare il rischio di accorciamento muscolare e ridurre il dolore nella situazione di riposo, migliorando così in generale la funzione stessa dell’uso della mano. La tempestività nella realizzazione dell’ausilio, il suo adeguamento in relazione all’evoluzione della malattia e la personalizzazione costante sulla base delle esigenze della personadiventano i criteri necessari perché l’ortesi sia efficace.

Ed è qui che entra in gioco la tecnologia di NEMOLAB. Le caratteristiche meccaniche delle geometrie del bozzolo dei bachi sono state prima valutate nella loro capacità di trazione, compressione e flessione e poi riprodotte nel disegno della stampa 3D. Un modello computazionale ingegneristico ha permesso di prevedere il comportamento del materiale, capace di riprodurre una struttura naturale che, nel corso di milioni di anni, si è evoluta con caratteristiche uniche, rendendola adattabile e leggera, nonostante la sua forza e resistenza.

Il risultato è un tutore cosiddetto form fitting, ossia capace di adeguarsi ogni volta alle caratteristiche specifiche della persona. Ad esempio, più importante è il bisogno di sostegno della mano, maggiore è la rigidità delle celle che compongono l’ortesi, creando così una struttura reticolare più compatta. E tutto questo, con la stampa 3D, può essere realizzato in poco tempo e con costi contenuti.

Oltre ad introdurre un nuovo approccio nella progettazione di ortesi bio-ispirate, lo studio mostra tutto il potenziale della tecnologia di stampa tridimensionale nel rispondere alle esigenze specifiche di ogni paziente – sottolinea Raffaele Pugliese, Coordinatore area ricerca di NEMOLAB, che continua – Il nostro vuole essere un contributo allo sviluppo della medicina personalizzata, che ha una visione sul bisogno della persona. La stampa 3D di biomateriali, infatti, è una tecnologia dirompente che sta rivoluzionando il settore dell’healthcare.

È la centralità della persona il valore che ha guidato il disegno dello studio. Un gruppo campione di persone con SLA, pazienti del Centro Clinico NeMO di Milano, è stato coinvolto per raccogliere il bisogno ed il parere in seguito alla prova dell’ortesi. Dal gruppo, la conferma sull’importanza della traspirabilità del materiale e della personalizzazione dell’ausilio, ma anche feedback positivi per lo spessore molto sottile, l’estetica gradevole, il materiale leggero e la facilità d’uso. Riscontri importanti che permetteranno ai ricercatori di continuare a studiare i materiali biocompatibili e ottimizzare il design di quello che oggi è diventato un prototipo industriale accessibile a tutti.

👉 Per avere informazioni è possibile scrivere a info@nemolab.it

Scheda tecnica del progetto

Scheda tecnica di progetto 

Meccanica computazionale di ortesi polso-mano basate su strutture reticolari bio-ispirate ai bachi da seta stampate in 3D per la malattia del motoneurone e neuromuscolari

Questo studio evidenzia il potenziale delle simulazioni meccaniche computazionali e della tecnologia di stampa 3D nella progettazione e fabbricazione di ortesi polso-mano personalizzate per pazienti con MND. L’uso di geometrie reticolari ispirate alle strutture del bozzolo del baco da seta offre un approccio interessante alla creazione di ortesi form-fitting che rispondono alle esigenze specifiche dei pazienti.

La progettazione e la stampa delle geometrie reticolari ispirate alle strutture del bozzolo del baco da seta sono state effettuante combinando il processo di estrusione di materiali (MEX) con il metodo computazionale degli elementi finiti (FEM) per valutare la loro stampabilità e prevedere i loro comportamenti meccanici, utili per ottenere caratteristiche di adattamento alla forma (form-fitting dall’inglese).

La combinazione dei metodi MEX con FEM ha permesso di valutare la stampabilità e il comportamento meccanico delle geometrie del reticolo, dimostrando che le loro caratteristiche meccaniche possono essere previste e controllate attraverso parametri di progettazione, consentendo il raggiungimento di un comportamento di adattamento nelle ortesi mano-polso. Il modulo di trazione simulato della geometria 1 è di 12,56 MPa e 6,92 Mpa, lungo le direzioni x e y, rispettivamente (Fig. 3 Simulazioni Biomeccaniche). Al contrario, la geometria 2 ha mostrato un modulo di trazione di 7,5 MPa in entrambe le direzioni. L’analisi FEM di compressione ha rivelato moduli elastici di 7,48 MPa per la geometria 1 e 5,52 MPa per la geometria 2. Inoltre, le simulazioni di flessione a tre punti hanno ulteriormente confermato il comportamento anisotropo osservato nei precedenti risultati dello spostamento di trazione per la geometria 1. Questa caratteristica anisotropa è altamente desiderabile per l’efficacia delle ortesi polso-mano.

Inoltre, è stato sondato l’impatto di tali geometrie 3D prodotte con il biopolimero poli-ε-caprolattone (PCL) sulla vitalità dei fibroblasti della pelle umana, dimostrando la loro biocompatibilità e promuovendo l’adesione cellulare e la crescita sulla superficie delle strutture porose.

Infine, lo studio ha considerato anche le prospettive dei pazienti, coinvolgendo un campione di persone con SLA attraverso un’intervista semi-strutturata. Quest’approccio “centrato sul paziente” ha permesso di identificare gli aspetti funzionali e strutturali che l’ortesi mano-polso dovrebbe incorporare per soddisfare le esigenze specifiche. Significativamente, il 70% degli intervistati ha espresso l’importanza del tipo di materiale e della traspirabilità come fattori cruciali; mentre il 50% ha rilevato la necessità di personalizzazione per soddisfare le esigenze individuali. Inoltre, è stato espresso un forte interesse per lo spessore minimo, le forme esteticamente gradevoli, il design leggero e la facilità d’uso. Queste preziose intuizioni dei pazienti hanno fornito importanti considerazioni per l’ottimizzazione del design dell’ortesi polso-mano.

Nel complesso, questo studio con un approccio bottom-up ha dimostrato con successo la capacità di progettare a livello computazionale e stampare in 3D ortesi mano-polso su misura per i pazienti MND utilizzando geometrie reticolari ispirate alle strutture del bozzolo del baco da seta. L’analisi FEM ha rivelato che le proprietà meccaniche di queste strutture reticolari sono prevedibili e possono essere controllate tramite parametri di progettazione, importante per ottenere un comportamento di adattamento alla forma dell’ortesi mano-polso. 

Lo studio fornisce una preziosa visione sull’importanza del design specifico e delle caratteristiche meccaniche per la fabbricazione di ortesi mano-polso che soddisfino meglio le esigenze dei pazienti affetti da MND. Le ortesi a reticolo offrono una soluzione promettente per la creazione di dispositivi che si adattano alla forma e che sono meccanicamente affidabili e biocompatibili, oltre ad essere in grado di supportare efficacemente i muscoli deboli e riposizionare la mano in una posizione funzionale in persone con questa patologia. Infine, la capacità di creare dispositivi bio-ispirati personalizzati con migliore adattamento della forma, comfort e affidabilità meccanica ha il potenziale per migliorare la qualità della vita delle persone con MND. 

I prossimi obiettivi, sui quali si concentrerà il team di ricerca, saranno orientati all’ulteriore perfezionamento dei processi di progettazione e fabbricazione, esplorando nuove opzioni di biomateriali e conducendo valutazioni cliniche per analizzare l’impatto sulla funzionalità muscolare e articolare, la gamma di movimento, la riduzione del dolore e la soddisfazione generale del paziente.