La stampa 3D cambia il volto dell’ortopedia

Ortesi di una mano nata dalla collaborazione tra Gruppo CRP e Mhox Design (che si è occupato di scansione e modellazione), stampata con tecnologia SLS (SInterizzazione laser selettiva) impiegando il materiale Windoform GT

Le tecnologie di frontiera nella realizzazione di ortesi generative - Grazie alla produzione additiva e a un nuovo particolare materiale prendono vita i dispositivi ortopedici del futuro.

Ortesi di una mano nata dalla collaborazione tra Gruppo CRP e Mhox Design (che si è occupato di scansione e modellazione), stampata con tecnologia SLS (SInterizzazione laser selettiva) impiegando il materiale Windoform GT
Ortesi di una mano nata dalla collaborazione tra Gruppo CRP e Mhox Design (che si è occupato di scansione e modellazione), stampata con tecnologia SLS (Sinterizzazione laser selettiva) impiegando il materiale Windform GT.

Il termine medico "ortesi" non è forse noto come il più familiare "protesi", ma indica un manufatto altrettanto diffuso: le apparecchiature che vengono usate in ortopedia e traumatologia per trattare problemi  che vanno dal "colpo di frusta" al "mal di schiena", per usare termini correnti. E quindi cinture lombari steccate, busti ortopedici, tutor di vario genere, ginocchiere, cavigliere e così via. Servono sia per immobilizzare un'articolazione colpita da una distorsione dei legamenti o da artrosi sia nell'ambito di una riabilitazione o di rieducazione funzionale. L'ortesi viene impiegata anche a scopo preventivo, come nel caso di osteoporosi.

Ortesi additiva

Visto il compito delicato di un'ortesi, non è difficile immaginare quanto sia importante che si adatti perfettamente alla parte del corpo alla quale deve essere applicata. E non è nemmeno difficile immaginare quanto la tecnologia di fabbricazione additiva, la stampa 3D, possa essere teoricamente perfetta per costruire ortesi veramente a misura di corpo. Perché siano effettivamente funzionali occorre però che siano costruite a regola d'arte e con materiali altrettano validi. Non basta, in questo caso, una stampante 3D da scrivania e un filamento in ABS. Ecco quindi che in questo comparto è intervenuto il Gruppo CRP, realtà specializzata nella ricerca e sviluppo di tecnologie e di materiali innovativi nell’ambito del 3D printing e nelle lavorazioni meccaniche di alta precisione (della società e della moto elettrica che CRP ha sviluppato con tecnologie di stampa attitiva ne abbiamo parlato qui).

Ortesi di una mano nata dalla collaborazione tra Gruppo CRP e Mhox Design (che si è occupato di scansione e modellazione), stampata con tecnologia SLS (SInterizzazione laser selettiva) impiegando il materiale Windoform GT

Un nuovo percorso applicativo

CRP Technology, la società del gruppo dedicata espressamente al 3D, sta dando vita ad un nuovo percorso applicativo dei suoi materiali Windform nel campo delle ortesi generative, un ambito che richiede una particolare attenzione nei confronti del suo primo interlocutore: il paziente. Grazie alla tecnologia additiva e ai materiali per sinterizzazione laser di CRP Technology, oggi è possibile creare su misura una ortesi dalle importanti prestazioni. Il progetto di ricerca è partito quasi un anno fa in collaborazione tra la società modenese e Mhox Design, studio di design generativo che sviluppa estensioni corporee, oggetti che integrano il corpo umano per mutarne le potenzialità in ambito estetico, sportivo, medicale. «I benefici che si possono ottenere dall’utilizzo della fabbricazione additiva unita ai materiali Windform - ha spiegato a 3D Printing Magazine Franco Cevolini CEO e direttore tecnico del Gruppo CRP - sono da considerarsi molto importanti, soprattutto in termini di performance e anche di vestibilità, dal momento che l’ortesi viene realizzata a seconda delle necessità anatomiche del paziente. Tuttavia non parliamo solo di prestazioni di alto livello, ma anche di un elevato fattore estetico. Il dispositivo ortopedico acquisisce una forte componente estetica che può essere accompagnata da una totale customizzazione da parte del paziente. Il nostro impegno nel settore della fabbricazione additiva conta ormai più di 20 anni di esperienza e il progetto ortesi rispecchia un atteggiamento continuo di ricerca e sviluppo che fa parte del nostro DNA. Facciamo innovazione e mettiamo a disposizione il nostro know-how ed esperienza acquisiti sul campo, per investigare ed aprire nuovi campi applicativi».

La scansione dell'arto e il modello 3D

Le prime due fasi di realizzazione in 3D printing dell’ortesi generativa riguardano la scansione dell’arto del paziente e la generazione del modello 3D di ortesi (la terza è la costruzione in fabbricazione additiva e materiali Windform dell’ortesi). Mhox Design si è occupata di queste due fasi sviluppando un workƒow software che integra la gestione dei sensori di scansione, la postproduzione dei loro output e una serie di algoritmi generativi €finalizzati ad adattare il dispositivo all'anatomia del paziente ed articolarne la forma per ottenere una performance speci€fica e personalizzata. La scansione corporea del paziente è eseguita attraverso sensori a infrarossi o a luce strutturata. La scansione avviene nell’ambulatorio medico, grazie alla portabilità del sensore e alla sua facilità di utilizzo Plug-and-Play. Questa fase è stata progettata per essere veloce, di facile gestione in ambiente medico, economica quanto a risorse hardware. La generazione di un modello 3d di ortesi consente al designer di differenziare la morfologia dell'oggetto di paziente in paziente, gestendo speci€che esigenze di performance oltre che l'adattamento all'anatomia personale. È possibile creare dispositivi con diversi equilibri di rigidezza e ƒessibilità, consentire alcuni movimenti e inibirne altri, integrare caratteristiche morfologiche nuove a questa categoria di prodotto, quali porosità e articolazione super€ciale. In pratica, da sette taglie per sette milioni di persone a sette milioni di taglie per altrettante persone, come sostengono in CRP.

La fabbricazione additiva

Nella terza fase si passa alla fabbricazione additiva vera e propria delle ortesi. Il materiale utilizzato da CRP Technology per questo tipo di applicazione è il Windform GT, che grazie alle sue caratteristiche di elasticità, impermeabilità, resistenza trova ampio impiego in questo campo. Questo materiale a base poliammidica caricato con fibre di vetro è caratterizzato da elevata ƒessibilità, resistenza ai liquidi e all’umidità, inoltre combina elasticità e duttilità. In virtù di questo può essere considerato un materiale di elevato valore in applicazioni funzionali soggette a vibrazioni e urti. Nello speci€co, il materiale ha valori signi€cativi di resistenza agli urti e di allungamento alla rottura. Può contare su valori rilevanti di resistenza a trazione e flƒessione rendendolo il materiale da sinterizzazione laser ideale per la creazione di ortesi dove la resistenza agli urti è un requisito fondamentale.

Nelle immagini presenti in questo articolo si possono vedere i primi due prodotti creati, le ortesi per una mano e per una gamba. Nel primo caso si tratta di un dispositivo che aiuta la riabilitazione dopo un'operazione chirurgica. Limita qualsiasi movimento della mano. Una porosità super€ciale, variabile in dimensione e distribuzione, consente alla mano di rimanere ventilata e lavabile. La combinazione di un design di ispirazione biologica e delle qualità materiali dell'oggetto stampato in 3D producono un valore estetico nuovo per questo genere di dispositivi. L'ortesi della gamba (molla di Codivilla) è invece un dispositivo per pazienti con de€ficit dei muscoli peronei e conseguenti problemi nel ciclo del passo. Tramite la scansione l'oggetto può abbracciare sia la gamba sia il piede, integrando direttamente un plantare. Uno snodo speciale, centrato sulla caviglia, le cui caratteristiche variano parametricamente da paziente a paziente, sfrutta la ƒessibilità del materiale per fornire supporto attivo e controllo nel ciclo del passo. Sono soltanto i primi passi in questo comparto. Il framework generativo è progettato per essere esteso a qualunque segmento corporeo e a una vasta varietà di strategie generative e algoritmi.

Ortesi della gamba (Molla di Codivilla), nata dalla collaborazione tra Gruppo CRP e Mhox Design (che si è occupato di scansione e modellazione), stampata con tecnologia SLS (SInterizzazione laser selettiva) impiegando il materiale Windoform GT
Ortesi della gamba (Molla di Codivilla).

La ricerca prosegue

Lo studio per la fabbricazione di ortesi generative da parte del Gruppo CRP sta suscitando un grande interesse da parte degli addetti al settore. Attraverso questa metodologia costruttiva è possibile realizzare ortesi per arti superiori, inferiori, gessi e fairing. In particolar modo CRP Technology e Mhox Design insieme a professionisti della riabilitazione e della fisioterapia stanno investigando la costruzione di dispositivi per pazienti con deficit dei muscoli peronei, con conseguente piede cadente post trauma vascolare cranico, che porta a un deficit nel ciclo del passo. L’attività di ricerca in questo ambito è orientata a definire i parametri ottimali di progettazione e realizzazione dell’ortesi. Il dispositivo realizzato con la tecnologia della fabbricazione additiva e Windform GT è stato sottoposto a una serie di test funzionali, al fine di valutarne le prestazioni. La sperimentazione ha approfondito la modalità statica, la modalità statica applicata al paziente e la modalità dinamica sul paziente. I risultati ottenuti confermano un nuovo impiego della tecnologia e dei materiali Windform in questo ambito.

Windform GT in dettaglio

Come abbiamo scritto precedentemente, Windform GT è un materiale composito a base poliammidica caricato fibre di vetro, adatto per la stampa 3D tramite sinterizzazione laser selettiva (SLS). Di colore nero intenso e profondo, dopo la finitura manuale, diventa lucente e più brillante. La versione GT rappresenta una novità all’interno della famiglia dei materiali poliammidici Windform per la fabbricazione additiva non solo sul piano estetico, ma soprattutto sotto il profilo prestazionale, in quanto si discosta per le proprie caratteristiche dalle altre polveri Windform meno flessibili e più rigide. Presenta elevati valori di resilienza e di allungamento alla rottura, che uniti a significativi valori di carico di rottura e resistenza a flessione lo rendono ideale per applicazioni dove la resistenza al “danneggiamento” è un prerequisito essenziale, al fine ad esempio di preservare il componente in caso di impatti e/o usi impropri. Ulteriore elemento di distinzione dagli altri materiali Windform è la sua caratteristica di essere resistente all’assorbimento di liquidi ed umidità. Oltre che per la specifica applicazione di cui abbiamo parlato nel campo ortopedico, è adatto per applicazioni automotive dove si richieda una determinata flessibilità, all’interno della vettura e sotto cofano (ad esempio mostrine con clip ad incastro). Va bene anche, nel settore motorsport, nei condotti d’aria, di aspirazione e di raffreddamento, nei condotti idraulici a contatto con liquidi o olii, nella cover protettiva per sensoristica e tutte le applicazioni che richiedono un ottimo compromesso tra elasticità e resistenza al danneggiamento.  Ecco la tabella con tutte le caratteristiche tecniche del materiale:

Tabella con le caratteristiche del materiale Windform GT sviluppato e prodotto da Gruppo CRP.
Tabella con le caratteristiche del materiale Windform GT sviluppato e prodotto dal Gruppo CRP.

© Tecniche Nuove / © Foto CRP

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