La stampa 3D medicale sta rivoluzionando la medicina, offrendo nuove possibilità nella pianificazione chirurgica e nella formazione clinica. Durante l’evento “Tecnologia e Salute: l’Impatto della Stampa 3D sulla Medicina Moderna”, svoltosi all’Istituto Ortopedico Rizzoli di Bologna, sono state presentate le potenzialità delle tecnologie di stampa 3D medicale FDM e DAP. Se la prima è utilizzata soprattutto per la creazione di dispositivi medicali e modelli funzionali robusti, la seconda – implementata dalla tecnologia in uso nelle stampanti PolyJet – consente di creare modelli anatomici realistici ad elevata precisione biomeccanica. 

Proviamo a immaginare un paziente ricoverato in ortopedia, cardiologia o in un altro reparto ospedaliero. È in attesa di essere operato. Prima di andare – come si è soliti dire – “sotto i ferri”, gli viene mostrato un modello stampato in 3D dell’organo sul quale si dovrà intervenire. Non è un modello generico, ma riproduce esattamente l’organo del paziente, ricostruito a partire da una TAC; il chirurgo spiega quindi tutte le procedure che saranno eseguite. In questo modo, il paziente può conoscere il dettaglio di quanto verrà fatto per intervenire sulla patologia o sulla condizione che lo affligge, ed entra in sala operatoria con una consapevolezza diversa, quanto mai preziosa sul fronte del consenso informato e della comunicazione medico-paziente.

Questo è solo uno degli aspetti che le applicazioni della stampa in 3D medicale puntano a migliorare e dei quali si è parlato il 3 marzo 2025 a Bologna, presso l’IRCCS Istituto Ortopedico Rizzoli. La cornice è stata quella dell’evento Tecnologia e Salute: l’Impatto della Stampa 3D sulla Medicina Moderna, organizzato da Energy Group, Stratasys e Bio3DModel, e che ha fatto da preludio a un corso in programma sempre al Rizzoli sull’uso di software di segmentazione per creare modelli utilizzabili per la stampa 3D medicale o per studi di gestione protesica. 

«I modelli stampati in 3D consentono di studiare interventi come il posizionamento di viti in caso di fratture o la sezione di un’anca per protesi», spiega Lucio Ferranti, presidente di Energy Group e membro del CdA di SolidWorld GROUP. «La stampa 3D medicale consente di creare modelli con materiali simili ai tessuti umani, simulando gli interventi e riducendo l’uso di cadaveri o parti animali – prosegue -. Oltre a ciò, si possono analizzare e progettare dispositivi come le dime di taglio, migliorando la sicurezza del paziente e riducendo i tempi in sala operatoria». E questi ultimi non sono gli unici elementi che subiscono una sostanziale riduzione: l’impatto della stampa 3D medicale riguarda anche i costi di utilizzo dei supporti citati da Ferranti. Utilizzare un cadavere per i test nei training o nella pre-chirurgia può arrivare a costare oltre 7500 euro per sole due ore; nel caso di animali, si sale a quasi 9000 euro. I costi stimati su modelli stampati non superano i 2000 euro e non ci sono limiti di utilizzo orario.

Le tecnologie: stampa 3D medicale FDM e DAP

Come anticipato, al Rizzoli sono state approfondite le applicazioni medicali di due tecnologie di stampa 3D medicale: FDM (Fused Deposition Modeling) e DAP (Digital Anatomy Printing). Eccone i dettagli.

→ FDM
Questa tecnologia consente di costruire parti finite e pronte all’uso attraverso la sovrapposizione di strati di filamento termoplastico fuso. L’utilizzo della tecnologia FDM per attrezzature e dispositivi medicali offre numerosi vantaggi, tra cui la possibilità di produrre ortesi, tutori personalizzati e device con tempi di realizzazione più brevi. Ciò permette inoltre di ridurre la durata del recupero, grazie alla customizzazione estrema dei dispositivi e di ottenere maggiori risultati dai trattamenti, sempre grazie all’impiego di strumenti clinici sviluppati su misura per la specifica esigenza. Tutto questo si traduce non solo in maggiori possibilità di successo nella cura ma anche in un miglior rapporto con il paziente. Un caso studio reale: tra i diversi esempi mostrati alla platea del Rizzoli, citiamo un dispositivo di assistenza realizzato per una bambina affetta da artrogriposi multipla congenita (AMC): fissato a una sedia a rotelle, il dispositivo è stato realizzato con una stampante 3D Stratasys a tecnologia FDM, utilizzando polimero ABS. Il risultato è un dispositivo leggero e resistente per l’uso quotidiano.

→ DAP
Digital Anatomy Printing è un sistema di stampa 3D medicale che permette di creare modelli anatomici di elevata precisione biomeccanica, utili per il training chirurgico e per lo sviluppo di device funzionali alla pratica preoperatoria. Con la tecnologia DAP è possibile combinare fino a otto tipi di resine polimeriche diverse, fra cui lo speciale Gel Matrix (realizzato appositamente per questa tecnologia), un gel che consente di creare strutture complesse, come vasi sanguigni con lume cavo. «Sono caratteristiche impossibili da ottenere con altre tecnologie», precisa Giovan Battista Semplici, presidente di Bio3DModel, illustrando i cambiamenti che ciò apporta nella pianificazione chirurgica e nella ricerca biomedica, con un’aderenza aptica alla realtà mai vista prima. 

«Il massimo dell’espressione sono i materiali cardiaci: cuore e vasi sanguigni. La DAP consente una combinazione amplissima degli otto materiali che inseriamo in contemporanea nella macchina – prosegue Semplici – Il Gel Matrix è ciò che consente di creare l’interno cavo delle vene, in gergo chiamato lume. Una volta realizzato il modello, il gel viene asportato facilmente lasciando cava l’arteria o la vena, anche con 1 millimetro di spessore». 

Semplici spiega anche come le resine polimeriche utilizzate dalla tecnologia DAP siano più indicate nel caso di trattamenti specifici, rispetto ai materiali FDM, in particolare per la costruzione di modelli per simulazione ortopedica, dove si usano trapani e attrezzi di taglio. La DAP permette la realizzazione di modelli a diverse stratificazioni, riproducendo per esempio la consistenza esatta di un osso, formato da una sezione esterna dura (corticale) e da una parte interna più molle (spongiosa). «Siamo al 99% di aderenza alla realtà, tetto che non è possibile raggiungere con altre tecnologie», conclude. 

Gli strumenti

Tra le stampanti citate all’evento sono state evidenziate due soluzioni, entrambe prodotte da Stratasys: la J850 DAP e la J5 DAP. Quest’ultima è stata pensata per agevolare le strutture sanitarie verso un utilizzo più frequente, essendo di dimensioni e costo inferiore. Entrambe utilizzano la tecnologia PolyJet: la J850 utilizza sette materiali più il supporto, mentre la J5 ne utilizza quattro (a entrambe si aggiunge il supporto). La tecnologia PolyJet si basa sul funzionamento che governa le stampanti a inchiostro, utilizzando resine acriliche fotopolimerizzabili. Una testina rilascia gocce di materiale che viene polimerizzato da una lampada UV strato per strato. Il software GrabCAD è lo strumento che consente di gestire e ottimizzare il file di stampa per la macchina, permettendo anche l’importante processo di segmentazione, ossia la suddivisione in parti del modello da stampare, per agevolare la pianificazione chirurgica su determinate porzioni che vengono differenziate per colore e/o consistenza. Quanto alla biocompatibilità, la J5  offre la possibilità di utilizzare un solo canale per materiali biocompatibili, facilitando le procedure di sterilizzazione. Nella J850, invece, per stampare solo con materiale biocompatibile è necessario svuotare completamente i canali.

3D LAB: l’applicazione della stampa 3D medicale al Rizzoli di Bologna

All’ospedale bolognese, il cuore dell’applicazione delle tecnologie appena viste risiede nella cripta collocata sotto la sacrestia dell’antico convento di San Michele in Bosco, trasformato in un centro ortopedico nel 1896. «La cripta ospita il 3D Lab, dove vengono effettuate le operazioni di modellazione, progettazione e prototipazione, oltre alla produzione di guide di taglio per la sala operatoria», racconta Alberto Leardini, direttore dell’Istituto Ortopedico Rizzoli. Che prosegue: «Ciò consente di studiare e sperimentare su tre settori in particolare: la protesica, la correzione di gravi deformità, anche in età pediatrica, e la cura di tumori dell’apparato muscolo-scheletrico».

Ogni anno le tecnologie di stampa in 3D FDM e DAP supportano dai 30 ai 40 casi, con un trend in costante crescita. «Circa due anni fa abbiamo analizzato l’attività del decennio precedente, riscontrando di aver affrontato circa 130 casi – prosegue Leardini – Parliamo quindi di una media di poco più di dieci all’anno. Ma, appunto, il trend è in forte crescita. La creazione dell’unità operativa al 3D Lab consente a tutti, dai giovani specializzandi ai primari ai professori universitari, di interagire con gli ingegneri e lavorare insieme, anche solo per valutare se un caso richieda una progettazione personalizzata o se esista già sul mercato il dispositivo adatto per affrontarlo. In questo modo, anziché sostenere costi aggiuntivi per una soluzione su misura, è possibile usare il modello anatomico stampato in 3D per individuare il dispositivo e le dimensioni più adatti al singolo caso».

Al 3D Lab si è tenuta l’ultima sessione dell’evento, durante la quale sono stati mostrati ai partecipanti i modelli stampati (non solo ortopedici, ma destinati anche ad altri ambiti come la cardiologia e la nefrologia). Soprattutto, è stata data la possibilità ai chirurghi presenti di provare la consistenza dei modelli ossei realizzati in stampa 3D medicale con la tecnologia DAP, e testarne il grado di aderenza alla realtà.

«I modelli realizzati con metodi tradizionali sono molto delicati e non possiedono le stesse proprietà di flessibilità e resistenza dell’osso naturale. Di conseguenza, non offrono al chirurgo un’esperienza tattile realistica durante la simulazione dell’intervento»: così afferma Alfonso Fedele, chirurgo ortopedico all’ospedale Pineta Grande di Castelvolturno (Caserta), mentre prova a usare un trapano su un modello. E prosegue: «Sebbene questi (i modelli ottenuti da lavorazione tradizionale ndr) riproducano forma e dimensioni dell’osso, il contatto con lo strumento chirurgico risulta completamente diverso. Al contrario, i modelli stampati con tecnologie additive consentono di apprezzare la differenza di consistenza tra la corticale, ossia la parte esterna più dura, e la spongiosa, più morbida e situata all’interno. Inoltre, permettono di distinguere anche la seconda corticale, un dettaglio fondamentale per garantire la precisione nei gesti chirurgici. Questo aspetto è particolarmente importante, poiché il chirurgo deve poter calibrare con esattezza la forza applicata su strumenti come trapani e seghe. Questi movimenti possono sembrare bruschi, ma in realtà richiedono un livello di precisione estremamente elevato».

Ciò si traduce in una formazione migliore, sia per gli specializzandi sia per i chirurghi stessi, che arrivano in sala operatoria più preparati. «Decisamente sì, anche perché la possibilità di collaborare con gli ingegneri nella definizione dello spessore della corticale offre un vantaggio significativo, soprattutto negli interventi di chirurgia spinale, dove questa valutazione è particolarmente rilevante – conclude Fedele -. In questi casi, la percezione tattile del trapano mentre attraversa il peduncolo e penetra nel corpo vertebrale può aiutare il chirurgo a prevedere i vari passaggi dell’intervento. Ciò consente di dosare con maggiore precisione la forza applicata, riducendo il rischio di danneggiare strutture nobili e delicate, come quelle della vertebra».

Il ruolo della bioingegneria

Al Rizzoli la combinazione tra bioingegneria e stampa 3D medicale è una pratica ultradecennale. Il 3D Lab rappresenta anche un ambiente d’elezione per il confronto tra diverse professionalità, come medici, bioingegneri e ingegneri biomeccanici. Gli ultimi due svolgono un ruolo chiave, poiché combinano competenze mediche con conoscenze tecniche e ingegneristiche, consentendo così la progettazione e la realizzazione di modelli anatomici avanzati. Questi esperti lavorano in sinergia con i chirurghi in tutte le fasi del processo, che include lo studio, l’analisi e la segmentazione degli organi, aspetti fondamentali per garantire l’efficacia delle procedure mediche avanzate. Esperti di cui c’è bisogno e che, sul mercato del lavoro, si fatica a trovare: l’evoluzione delle tecnologie di stampa 3D rappresenta senza dubbio un incentivo alla loro formazione. 

→ Maggiori informazioni sulle tecnologie sono disponibili su

• www.energygroup.it
• www.bio3dmodel.it 

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Il Digital Twin è una delle tecnologie abilitanti di Industry 4.0, insieme a Internet of Things (IoT), Cloud Computing, Intelligenza Artificiale (AI), Realtà Aumentata (AR), Machine Learning (ML), Robotica, Automazione e 3D Printing (AM). Tuttavia, concettualmente la sua origine va datata molto prima dell’inizio della cosiddetta ‘Quarta rivoluzione industriale’: ben prima del 2016, quando anche in Italia, con l’allora Ministro dello Sviluppo Economico Carlo Calenda è stato varato il Piano Nazionale Industria 4.0, noto anche come Piano Impresa 4.0 e prima ancora del 2012, anno in cui in Germania viene costituito per la prima volta il Gruppo di lavoro Industrie 4.0.

Digital Twin, un concetto che arriva dallo spazio

Il concetto di Digital Twin fu esposto per la prima volta nel 2003 da Michael Grieves nel corso della presentazione che tenne presso l’Università del Michigan durante un convegno sulla “Gestione del ciclo di vita del prodotto”. Alla domanda su cosa fosse il Digital Twin Grieves rispose fornendo l’idea, seppur embrionale, che un manufatto (o la sua gestione) potesse essere sostituito, in tutto e per tutto da un Gemello Digitale, in scala 1:1. Il gemello digitale è stato dunque pensato come una rappresentazione perfetta, atta a riprodurre, simulare, prevedere. La chiave di tutto? Tre elementi: spazio reale, spazio virtuale e le interconnessioni che permettono ai primi due di scambiarsi informazioni con un continuo flussi di dati.

Prima ancora di assistere alla presentazione di Grieves, esattamente negli anni ’60, la NASA aveva già pensato di utilizzare un gemello digitale come “modello vivente” delle sue missioni spaziali per la valutazione delle condizioni a bordo, per l’analisi attraverso i dati di eventuali guasti e per l’estensione e perfezionamento dei modelli fisici. Dopo mezzo secolo, la NASA, insieme ad altri esponenti della comunità aerospaziale, continua a sviluppare e utilizzare modelli digitali ad alta fedeltà di sistemi e componenti fisici, nonché degli ambienti estremi in cui operano.

Il potere dei dati e la capacità di innovare del Digital Twin

Il Digital Twin, dunque, non è altro che la rappresentazione fedele digitale di un oggetto fisico o di sistemi e processi reali anche complessi. Essendo una copia digitale, la sua essenza è costituita da dati che fluiscono incessantemente e che possono essere processati da computer potenti e analizzati da una combinazione di intelligenza umana e intelligenza artificiale, con lo scopo di conoscere, predire, valutare, progettare, senza dover mettere in campo infinite risorse, quali tempo, soldi, materiali e risorse umane, permettendo una significativa riduzione degli sprechi durante tutte le fasi dello sviluppo prodotto.

Il Digital Twin è una tecnologia oramai ampiamente utilizzata in diversi settori, in particolare quello manifatturiero, per monitorare le prestazioni, ottimizzare i progressi, simulare i risultati e prevedere i potenziali errori. Il DT svolge inoltre diversi ruoli nell’intero ciclo di vita del prodotto, dalla progettazione alla produzione, alla consegna, all’utilizzo e alla fine del ciclo di vita. Con la crescente domanda di prodotti personalizzati e l’implementazione dell’Industria 4.0, il gemello digitale può fornire una soluzione efficace per la progettazione, lo sviluppo e l’innovazione dei prodotti futuri.

Gli elementi chiave del Gemello Digitale

In sintesi, gli elementi chiave del Digital Twin sono: i modelli 3D; sensori e dati raccolti e processati real time; connessione IoT; analisi dei dati e simulazioni; un’interfaccia utente intuitiva.

• Il modello tridimensionale: il modello 3D dell’oggetto o del sistema che si intende replicare digitalmente fornisce la base visiva per comprendere la struttura e le relazioni dell’oggetto fisico con il contesto in cui è inserito.
• Sensori e dati raccolti in tempo reale: i sensori integrati nell’oggetto fisico raccolgono costantemente dati sul suo stato e
• sull’ambiente circostante. Questi dati vengono trasmessi ed elaborati in tempo reale per aggiornare il Digital Twin, garantendo una rappresentazione accurata e aggiornata.
• Connessione IoT (Internet of Things): il gemello digitale si basa sull’Internet delle cose per la raccolta e la trasmissione dei dati. La connettività IoT consente agli oggetti fisici di comunicare tra loro e con i sistemi di gestione dei dati, garantendo un flusso continuo di informazioni.
• Analisi dei dati e simulazioni: i dati raccolti dal Digital Twin conducono ad analisi dettagliate e simulazioni per comprendere il comportamento dell’oggetto fisico in varie condizioni e contesti con l’obiettivo di ottimizzare le prestazioni, prevedere guasti e identificare potenziali aree di miglioramento.
• Interfaccia Utente Intuitiva: visualizzazioni 3D, dashboard di monitoraggio e strumenti di analisi avanzati sono strumenti a disposizione del progettista per interagire con il Digital Twin in modo efficace, intuitivo e significativo.

Il mancato utilizzo del Digital Twin in progettazione potrebbe far perdere una grande opportunità alle aziende. I vantaggi legati all’impiego dei gemelli digitali sono facilmente quantificabili: si parla di una riduzione significativa degli sprechi in termini di tempo e risorse e di denaro risparmiato per la produzione di prototipi e per eventuali interventi correttivi e modifiche. Per non parlare della possibilità, fino ad ora impensabile, di progettare e simulare progetti globali complessi come, per esempio, la riorganizzazione della rete di trasporti di un’intera metropoli.

E questo è solo l’inizio.

Articolo a cura del team editoriale Promix

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