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Valvole cardiache artificiali bioinspirate prodotte dalla produzione di additivi in silicone

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preeflow® eco-PEN300 "stampa" impianto sintetico preeflow® eco-PEN300

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In un processo di produzione additiva, i modelli di valvole cardiache virtuali vengono creati con l'aiuto di una TAC e di un dispenser monocomponente eco-PEN300 preeflow: Fergal Coulter del "Complex Materials Group" del Politecnico di Zurigo ha intrapreso una ricerca per la tecnologia medica - più precisamente per la produzione additiva di valvole cardiache artificiali. Sono state prodotte utilizzando polisilossani personalizzati di grado medicale, insieme a sostanze chimiche che hanno dato origine a siliconi rigidi, medi o morbidi a seguito di polimerizzazione con innesco UV. Questi materiali sono conformi agli standard di biocompatibilità per la citotossicità, così come per l'irritazione e la sensibilizzazione della pelle. (Fonte: https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30038-4 )

Un unico processo per risultati personalizzati

Viene prodotto un mandrino stampato in 3D personalizzato, derivato dalla scansione C/T del paziente. Come una delle varie fasi di produzione, una parte della valvola cardiaca artificiale viene applicata utilizzando il dispenser eco-PEN. Il dispenser viene anche utilizzato per stampare fibre di rinforzo in silicone sui volantini e poi rinforzare i bordi. Le aree non fogliari della valvola (i "triangoli intraaortici") sono costruite secondo la scansione della radice aortica del paziente. Poi il silicone viene reticolato con la luce UV. Nella seconda fase, viene creato uno stampo in silicone della radice aortica. Un alginato viene utilizzato per incapsulare temporaneamente la valvola. Il cappuccio protegge i foglietti della valvola e permette di applicare un vascolarizzatore artificiale sporgente e uno stent integrato. A questo scopo, il gruppo viene scansionato con un laser a 1 dimensione. La superficie è virtualmente ricreata al computer. E vengono calcolati i percorsi degli utensili per la geometria di uno stent ausiliario. Successivamente, l'eco-PEN300 viene nuovamente utilizzato per la stampa: I puntoni stampati hanno uno spessore di circa 0,3 mm. Ora il mandrino della valvola può essere rimosso. Il tappo di alginato viene rimosso tramite disidratazione in forno. A seconda che un rivestimento sia stato spruzzato o meno come fase intermedia, il risultato finale è una valvola cardiaca artificiale specifica per il paziente con uno stent aortico coperto o finestrato

Il design delle valvole cardiache completate si ispira alla biologia umana (valvole a 3 lamelle). A seconda delle esigenze, viene implementata una geometria individuale per ottenere un prodotto sintetico su misura. Attraverso la fabbricazione digitale, viene creata una valvola artificiale come impianto funzionale. A differenza delle valvole cardiache meccaniche e delle valvole tissutali esistenti, questo metodo è considerato promettente per le applicazioni future

Le ragioni per promettere applicazioni future

▪ Sono possibili valvole cardiache completamente individuali (sulla base di una TAC della valvola cardiaca del paziente).

▪ I prodotti sono poco costosi da produrre.

▪ A causa dei materiali utilizzati, gli immunosoppressori (fluidificanti del sangue) potrebbero non essere necessari in futuro.

▪ Non solo il design e la geometria della valvola cardiaca stampata è simile alla sua controparte biologica, ma anche la sua funzionalità, che è stata testata in dettaglio sulla pressione sanguigna fisiologica negli esperimenti di Coulter.

▪ La valvola cardiaca stampata rinforzata con fibre ha una minore sollecitazione meccanica e un'emodinamica eccezionale (= scienza del movimento del sangue nel sistema vascolare).

eco-PEN stampa la valvola cardiaca e lo stent

Il compito del dispenser eco-PEN è quello di garantire la stabilità della valvola cardiaca e delle valvole atrioventricolari. In modo che il sistema non collassi quando viene utilizzato in condizioni fisiologiche. Come descritto sopra, l'eco-PEN300 stampa una parte della valvola cardiaca così come uno stent (= impianto medico per mantenere aperti i vasi o gli organi cavi) o una struttura simile allo stent per la stabilità. L'eco-PEN costruisce quindi anche la struttura della valvola cardiaca.

Per l'implementazione in questo settore sensibile, è importante una precisione perfettamente coerente nel campo della microdosatura: Nella dispensazione di tali piccole quantità deve essere garantita la ripetibilità. Qui i leggeri dispenser pre-flusso sono stati in grado di convincere. Poiché l'ago deve puntare sempre perpendicolarmente al mandrino prodotto con precisione, la tecnologia di dosaggio preeflow è completata da un agile sistema robotizzato.

Fergal Coulter sul lavoro con il dispenser preeflow: "L'eco-PEN è un eccellente estrusore quando si stampa con più materiali diversi che hanno diverse viscosità e proprietà reologiche. L'erogazione volumetrica precisa della penna rimuove le variazioni di flusso dell'estruso durante le stampe lunghe e riduce il tempo speso nella realizzazione dei profili di pressione per ottenere un flusso di materiale costante"

Una panoramica dei vantaggi dei dispenser pre-flusso ad alta precisione

▪ Semplice e flessibile, adattabile alle singole geometrie

▪ Facile integrazione (l'eco-PEN300 viene utilizzato con una spaziatura di 300 µm e perpendicolare alla curvatura della superficie da coprire)

▪ Quantità di dosaggio più piccole con ripetibilità assoluta > 99 %

Il processo può essere visto chiaramente in questo video: https://youtu.be/dvGsNAQ_yVA?t=40

Per soddisfare le esigenze del mercato della stampa 3D, ViscoTec ha istituito nel 2016 una propria Business Development Additive Manufacturing. Il portafoglio è stato ampliato: Nel frattempo sono state sviluppate diverse testine di stampa 3D in grado di stampare sia fluidi e paste monocomponenti che bicomponenti e sono ancora più adatte alla produzione additiva.

Visione per il futuro

Una visione di Fergal Coulter per la ricerca futura: Potrebbe essere possibile stampare le cellule staminali (incorporare le cellule staminali) e quindi integrarle nella valvola - per adattarle alla morfologia

Questo è ancora un sogno per il futuro, ma ci sono già le prime idee per l'utilizzo di idrogel caricati con cellule nella stampa 3D. Uno di questi progetti è stato realizzato anche con l'aiuto di un eco-PEN preeflow: Le cellule viventi sono state dispensate senza danneggiarle. Per fessure di ventilazione "vive" nell'abbigliamento sportivo. Maggiori informazioni sono disponibili qui: https://www.preeflow.com/en/3d-printing-of-fluids/