I vantaggi della produzione additiva per la medicina veterinaria
Sono considerati i migliori amici dell’uomo e occupano un posto importante nei nostri cuori e talvolta sul nostro divano: stiamo parlando naturalmente degli animali, nello specifico degli animali domestici. Fin dall’inizio dei tempi, l’uomo ha convissuto con gli animali e questo è vero ancora oggi. I tipi di animali domestici più diffusi sono i cani, i gatti, i pesci e gli uccelli, e il numero di animali presenti in una famiglia negli ultimi anni è aumentato in modo significativo. Nel 2020 sono stati adottati 83,7 milioni di cani e 60 milioni di gatti in tutto il mondo, un’impennata significativa rispetto agli anni precedenti, e la cifra continua a salire anno dopo anno. Quanto alla produzione additiva, questa permette oggi di creare trattamenti e applicazioni utili alla medicina veterinaria e fondamentali per i nostri amici animali.
La produzione additiva ha ormai dimostrato i suoi vantaggi in diversi ambiti del settore medicale. La medicina veterinaria rappresenta una parte importante di questo settore. Solo negli Stati Uniti d’America, più di 120.000 veterinari esercitano attualmente la loro professione per aiutare gli animali. Non c’è quindi da stupirsi se, con l’aumento del numero di animali domestici, sia aumentato anche il valore dell’industria veterinaria nel complesso. Secondo un rapporto di Grand View Research, Inc. il mercato globale delle attività veterinarie dovrebbe raggiungere 114,4 miliardi di dollari entro il 2028. Ora, però, non sono solo i veterinari a occuparsi del benessere dei nostri animali con l’uso della stampa 3D, ma anche diverse aziende stanno sviluppando nuove applicazioni in questo ambito. Ma quali sono i limiti e le possibilità della stampa 3D in questo settore? Quali sono le applicazioni possibili?
L’uso della produzione additiva sta diventando sempre più comune nel mercato della medicina veterinaria. Qui si può vedere il progetto di una protesi per la mascella inferiore di un cane (foto: Dr. Johnny Uday).
In che modo i veterinari usano la stampa 3D?
I proprietari degli animali domestici non sono mai contenti di dover portare il proprio amico a quattro zampe dal veterinario. Oltre alla preoccupazione per lo stato di salute dell’animale, ci sono spesso altri fattori che scoraggiano: i costi elevati, i lunghi tempi di attesa per protesi o ortesi, senza contare che ad oggi non è possibile personalizzare i prodotti veterinari per il proprio animale. Fortunatamente, con la stampa 3D molti di questi problemi possono essere risolti. Inoltre, le innovazioni nello sviluppo dei materiali 3D hanno permesso lo sviluppo di un numero ancora maggiore di materiali che soddisfano le varie esigenze del settore. Di norma, i materiali più utilizzati per applicazioni in medicina veterinaria sono il PEEK, il PEKK e le plastiche dentali come il nylon, il PLA e il PVA.
Applicazioni concrete in medicina veterinaria
Per approfondire le modalità di utilizzo della produzione additiva in medicina veterinaria, è necessario innanzitutto comprendere i metodi tradizionali. Ad esempio, molti dei metodi convenzionali utilizzati dai veterinari per le cure sono simili a quelli utilizzati nella medicina umana. Detto questo, dobbiamo ricordare che alcune opzioni terapeutiche non sono sempre possibili per gli animali. Spesso il primo passo prima di poter effettuare un’operazione o di prescrivere una protesi è la radiografia o la tac. Poiché alcuni animali non entrano nei macchinari standard a causa delle loro dimensioni o condizioni (spesso è difficile semplicemente farli stare fermi), le prime difficoltà si presentano già qui. In situazioni come queste il ricorso alle tecnologie 3D può rappresentare un grande vantaggio.
Infatti, anche ricorrere alla sedazione dell’animale, cioè alla somministrazione di tranquillanti per calmare le funzioni del sistema nervoso centrale, comporta costi e tempi elevati. Con la scansione 3D, non solo la scansione può essere effettuata rapidamente, senza bisogno di sedazione, ma può anche essere eseguita con un alto grado di precisione. Grazie al fatto che si tratta di un dispositivo portatile, è possibile scansionare qualsiasi tipo di animale senza problemi, a differenza delle macchine convenzionali per la scansione TC.
Ciò che è possibile fare con la scansione 3D è dimostrato dall’esempio, probabilmente perfetto, dell’alligatore Mister Stubbs. Trovato in un camion nel 2013, l’alligatore era privo della coda. Potrebbe sembrare banale, in realtà la coda di un alligatore non serve solo per muoversi e sterzare in acqua, ma in essa vengono immagazzinati anche i grassi, contribuendo in modo significativo alla salute dell’animale. Per aiutare Mister Stubbs, la Midwestern University di Glendale, in Arizona, ha utilizzato uno scanner 3D Artec per scansionare la coda di un alligatore recentemente deceduto. Sebbene sia stato necessario apportare adattamenti alle dimensioni esatte di Mister Stubbs, la scansione 3D è stata in grado di catturare tutti i dettagli della coda, aiutando il team a creare una nuova coda per l’alligatore sfortunato.
Utilizzando metodi convenzionali, un’immagine così accurata della coda probabilmente non sarebbe stata possibile (crediti fotografici: STAX3D via Artec)
Applicazioni personalizzabili grazie alla produzione additiva
I veterinari e gli ospedali per animali possono ottenere un’ampia gamma di benefici con l’uso della produzione additiva. Per citarne soltanto alcuni, questa può essere utilizzata per la produzione di protesi, ortesi, impianti, parti dentali o persino modelli personalizzati adatti a scopi pre-chirurgici. I vantaggi sono evidenti, se si considera che a causa delle diverse condizioni biologiche e delle esigenze delle varie specie animali, la quantità di fattori da considerare aumenta a dismisura. L’anatomia di una specie animale come il cane, ad esempio, differisce enormemente da razza a razza: se si confronta un Terranova adulto con un bassotto, è più che evidente che la personalizzazione del trattamento è più che necessaria.
Le ortesi e le protesi stampate in 3D, che durano fino a cinque anni prima di dover essere sostituite, sono molto utilizzate in medicina veterinaria. Le stecche, che vengono fissate al corpo, servono come ausilio ortopedico per alleviare, stabilizzare o sistemare articolazioni, ossa o persino muscoli. Un esempio degno di nota è una protesi stampata in 3D realizzata per un gatto di tre mesi nato con il Pectus Escavatum, una rara malformazione congenita della parete toracica.
Il medico veterinario Matteo Zanfabro è ricorso alla stampa 3D per cercare di correggere questa malformazione a volte fatale del gatto. Ha quindi ideato uno splint in PETG, stampato in 3D con Ultimaker S3, tenendo conto delle dimensioni e alla deformità del gattino, ma anche della crescita dell’animale. Per fornire la necessaria stabilizzazione, il dispositivo è stato chiuso con fili chirurgici e dotato di imbottitura. La stampa 3D è stata essenziale: dopo l’applicazione dello splint prodotto in modo additivo, il gattino non ha più sofferto durante i movimenti.
Stecche, protesi e ortesi stampate in 3D possono non solo semplificare la vita degli animali, ma anche salvarla (crediti foto: Matteo Zanfabro via PlayVet)
Ma non è tutto. Un team di ricercatori della Slovak University of Technology di Košice ha affrontato la questione dei benefici della produzione additiva nel campo dell’ortodonzia veterinaria. Utilizzando l’esempio di un cane Labrador di 15 mesi che, giocando, aveva perso un dente importante per l’assunzione di cibo, hanno dimostrato cosa fosse possibile fare con la produzione additiva. Poiché questo dente non sarebbe ricresciuto, ma era anche fondamentale per prevenire la malnutrizione, era necessaria una soluzione personalizzata. Hanno quindi scannerizzato lo stesso dente che esisteva ancora nella mascella del giovane cane, per poi riprodurre il dente mancante come impianto utilizzando la stampa 3D in metallo. Uno dei motivi per cui è stata scelta la stampa 3D in questo caso è che, da un lato, è stato possibile effettuare una scansione esatta e, dall’altro, la stampa doveva essere molto precisa, in quanto il nuovo dente doveva essere perfettamente integrato nello spazio dentale esistente. Dopo una fase di rigenerazione, il dente del Labrador fabbricato in modo additivo era ancora più duro e resistente dei suoi denti naturali.
Considerando i problemi dentali negli animali, il veterinario Dr. Johnny Uday, che ha iniziato a utilizzare la produzione additiva 5 anni fa, ha così commentato: “I problemi dentali sono molto comuni negli animali domestici, provocando fratture con lisi ossea (grandi buchi). Tuttavia, a causa delle diverse dimensioni dei cani, le placche “standard” possono essere troppo grandi o ingombranti e causare più danni che benefici. Quindi una buona applicazione di questa tecnologia è lo sviluppo di placche personalizzate, in modo da avere un’applicazione e una dimensione perfette, e persino pianificare i fori per evitare di danneggiare le radici dei denti, i fasci vascolari, i nervi, il sistema linfatico e altre strutture importanti che sono essenziali per la normale funzione e la corretta guarigione“.
Grazie al dente stampato in 3D, il cane può tornare a mangiare (foto: TU Košice)
Inoltre, la produzione additiva in medicina veterinaria è adatta alla creazione di modelli anatomici o guide chirurgiche. Quest’ultime aiutano i veterinari a ottenere risultati chirurgici migliori, che allo stesso tempo possono ridurre significativamente i tempi di intervento. Nello specifico, si tratta di modelli stampati in 3D che contengono piani di taglio e fori esatti del rispettivo paziente animale, consentendo ai chirurghi di esercitarsi in anticipo su questi modelli. Questo è adatto non solo per operazioni difficili e poco diffuse, ma anche per lesioni ortopediche come le lacerazioni del legamento crociato o persino per problemi congeniti agli arti. Anche i modelli anatomici, che possono essere differenziati in modelli di agopuntura, di organi, di scheletro o addirittura di esercizi, offrono un grande aiuto ai veterinari. Questi modelli tridimensionali non sono solo utili per i veterinari, ma anche per gli studenti e i futuri veterinari e servono quindi per l’apprendimento e la ricerca.
Nel caso di animali di piccola taglia, come chihuahua, rane o criceti, la situazione è più complicata. Il motivo è l’anatomia minuta di questi animali, che rende la creazione di guide per le incisioni e di impianti molto più impegnativa rispetto agli animali di grandi dimensioni, ci spiega il Dr. Johnny Uday. Tuttavia, probabilmente la sfida più grande quando si tratta di implementare la produzione additiva nel flusso di lavoro è l’apprendimento della materia stessa. Il Dr. Johnny Uday sottolinea l’importanza di disporre di vari software e dei biomateriali disponibili per la stampa 3D.
La produzione additiva utilizzata per aiutare gli animali
Sebbene siano già numerosi i veterinari che utilizzano la produzione additiva, anche molte aziende hanno trovato un grande potenziale in questo settore. L’elenco delle aziende che utilizzano l’Additive Manufacturing (AM) nel settore veterinario è in continua crescita: Think3DDD, PlayVet, CABIOMEDE, DiveDesign o anche Formlabs e Artec3D, sono solo alcune di queste. In questo caso, la differenza principale tra le attività dei veterinari e quelle delle aziende nel campo dell’AM è soprattutto il background formativo. Mentre le persone che lavorano in queste aziende sono principalmente laureate in ingegneria, i veterinari sono ovviamente laureati in medicina veterinaria. Inoltre, il loro background è diverso: le aziende producono e vendono questi prodotti e hanno quindi sviluppato un mercato per offrire il loro servizio e le prestazioni del prodotto. Al contrario, i veterinari ricorrono all’AM per lavorare in modo più efficiente, per migliorare il flusso di lavoro e per utilizzare la stampa 3D come parte di un insieme. Tuttavia, nonostante il diverso percorso formativo, gli obiettivi sono gli stessi: salvare o migliorare la vita degli animali con la produzione additiva.
L’azienda berlinese Think3DDD, fondata da Tino Jacobi, spiega: “Lavoriamo a stretto contatto con i veterinari. Produciamo ortesi o protesi personalizzate con le informazioni dei veterinari, dal canto suo il veterinario segue il trattamento“. Tuttavia, secondo Alexander Then, proprietario di NordicVet3D, c’è ancora un gran numero di veterinari che prende le distanze dall’uso della produzione additiva. “Non vedo alcuna ragione, se non quella economica, per cui non dovrebbe essere utilizzata“, spiega, illustrando i vantaggi che ne derivano: “Ad esempio, possiamo verificare se le viti e le placche che vogliamo utilizzare sono le più adatte in ogni singolo caso. In questo modo si riduce il rischio di fallimento o di necessità di reintervento, che è associato a un aumento della mortalità e della morbilità. È stato inoltre dimostrato che riduce i tempi chirurgici e quindi il costo effettivo dell’intervento“.
Per quanto riguarda il processo, le tecnologie e i materiali utilizzati, il primo passo è la scansione 3D, che può essere effettuata anche con uno smartphone grazie alle app di scansione. Una volta effettuata la scansione – presso la sede dell’azienda o dal veterinario – si utilizza un software per sviluppare l’immagine digitale, ad esempio, di una protesi o di un’ortesi. Questa, dopo la stampa 3D e il post-processing, può essere indossata direttamente. Quando si utilizza la tecnologia FDM/FFF, si possono usare “molti tipi di termoplastiche poliuretaniche (TPU) con diversi spessori, polipropilene (PP), politene tereftalato (PET) e altri“, spiega Alexander Then.
Presso Think3DDD, viene effettuata una scansione tramite smartphone, viene quindi prodotto un file e infine stampato in 3D (crediti fotografici: Think3DDD).
Limiti della produzione additiva in medicina veterinaria
Sebbene i vantaggi derivanti dall’uso della produzione additiva in medicina veterinaria superino di gran lunga gli svantaggi, esistono ancora dei limiti in questo campo di applicazione. Anche se la gamma di materiali impiantabili per gli animali è già estremamente ampia, la scelta di materiali biocompatibili che possono essere anche sterilizzati rimane enormemente limitata. Inoltre, la formazione di biofilm negli impianti di produzione additiva è uno dei problemi principali. Tale biofilm, che è una sorta di raggruppamento di batteri, è particolarmente resistente e difficile da rimuovere. Poiché tale biofilm può ora formarsi anche sugli impianti stampati in 3D, il dottor Uday vede in questo un limite particolarmente grande.
Cosa possiamo dire per concludere sull’uso della produzione additiva nel campo della medicina veterinaria? Di certo, grazie alla produzione additiva, sono già state salvati molti animali. Sebbene ci siano casi più facili e più difficili da risolvere sia per le aziende che per i veterinari, ogni sfida presenta anche nuove opportunità per l’uso della produzione additiva in medicina veterinaria.
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*Crediti foto copertina: Indra Veterinary Clinic
