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Case study nel settore medicale

La stampa 3D salva vite

Dalla lotta al diabete alle "braccia magiche” della piccola Emma, i professionisti del settore medicale utilizzano la stampa 3D per salvare vite e migliorare la salute e la qualità della vita delle persone.

Scopri come gli eroi del settore medicale accelerano l'innovazione, distruggono le barriere e ottengono migliori risultati grazie alla stampa 3D.

La capacità di produrre internamente prototipi rapidi dimezza il tempo di sviluppo delle attrezzature mediche e accelera i tempi di immissione sul mercato

Parte 1 stampata in 3D Biorep

Biorep Technologies è un'azienda produttrice di attrezzature innovative per il settore medico che si focalizza principalmente sullo sviluppo dei dispositivi richiesti per la ricerca di una cura per il diabete. Biorep è affiliata al famoso Diabetes Research Institute di Miami e la sua missione è quella di offrire attrezzature per l'isolamento delle isole a un prezzo accessibile in modo da consentire l'accesso a questo tipo di tecnologia al maggior numero possibile di centri di ricerca.

Il direttore tecnico Felipe Echeverri e l'R&D Engineer Andres Bernal guidano il team di progettazione di Biorep. Dal 1995, anno della sua fondazione, l'azienda si era avvalsa di un'officina per la prototipazione. Occasionalmente, Biorep ha lavorato con agenzie di servizi per la produzione di prototipi rapidi relativi a parti di dimensioni ridotte per la valutazione dei progetti.

L'aumento del volume dei progetti di prototipazione rapida ha condotto alla ricerca di una stampante 3D interna.

A partire dal 2007, poiché le attrezzature prodotte da Biorep diventavano sempre più compatte e sofisticate, Echeverri e Bernal si trovarono molto spesso nella necessità di esternalizzare i prototipi rapidi delle parti di dimensioni ridotte. Il volume aveva raggiunto un livello tale da rendere ragionevole l'introduzione di una tecnologia di prototipazione rapida all'interno dell'azienda.

“In quel momento per Biorep era necessario trovare un metodo conveniente per produrre prototipi in tempi rapidi,” ricorda Echeverri. “Quando esternalizzavamo i modelli stampati in 3D, spesso i costi sostenuti erano più alti delle spese da sostenere per realizzarli internamente e i tempi erano comunque lunghi. Sapevamo che potevamo accelerare notevolmente la produttività del progetto se avessimo avuto la possibilità di stamparne una parte durante la notte all'interno dei nostri uffici. Pertanto abbiamo iniziato a valutare l'idea di adottare i sistemi di stampa 3D.”

Objet Eden250 scelta per la facilità di utilizzo e per la qualità delle finiture

Parte 2 stampata in 3D Biorep

I criteri adottati da Biorep per la scelta del sistema di stampa 3D interno sono stati: precisione, facilità di utilizzo, requisiti relativi alla manutenzione, finitura di superficie e prezzo. “Nella maggior parte dei casi, utilizziamo i prototipi rapidi per verificare i concetti e per controllare adattabilità, forma e funzione prima di affidare le attrezzature allo stampaggio a iniezione, per cui la precisione rappresentava una caratteristica davvero importante,” dichiara Echeverri. “Abbiamo tuttavia calcolato che avremmo prodotto il doppio dei prototipi se avessimo potuto contare su delle funzionalità interne; inoltre il team di cui disponiamo è composto da poche persone, per cui la facilità di utilizzo e l'affidabilità erano altre due caratteristiche chiave.”

In conclusione Biorep ha deciso di adottare la stampante 3D Objet Eden250, un sistema di dimensioni ridotte che fornisce il punto di ingresso perfetto nel mondo della prototipazione rapida e di alta qualità. Sfrutta i vantaggi leader del mercato offerti dalla tecnologia brevettata PolyJet™ di Objet nella realizzazione di quasi tutti i progetti o le operazioni di produzione. La stampante Eden250 fornisce una gamma di soluzioni complete per la costruzione accurata di ogni geometria, in modo facile, veloce, pulito e conveniente. I modelli prodotti sulla stampante Eden250 sono levigati e durevoli, con dettagli precisi e una eccezionale finitura di superficie. Con un ingombro ridotto, questo sistema conveniente utilizza un processo totalmente pulito che lo rende ideale per l'uso negli uffici. A differenza di altri sistemi di stampa 3D, questa stampante può passare attraverso una normale porta di ingresso, rendendo l'installazione semplice e rapida.

“La stampante Eden250 rappresentava la soluzione perfetta per tutte le nostre esigenze,” dice Echeverri. “È ideale per l'ufficio, pulita, facile da utilizzare e da gestire e produce parti precise con un'ottima finitura di superficie.”

La capacità di produrre rapidamente prototipi in azienda permette di risparmiare sei mesi sui tempi di sviluppo di un nuovo prodotto

Parte 5 stampata in 3D Biorep

Echeverri riferisce che la stampante Eden250 ha aiutato il suo team a produrre progetti di qualità superiore e ha contribuito ad accelerare i tempi di immissione sul mercato di nuovi prodotti.

Un progetto recente che riassume entrambi i vantaggi è quello in attesa di brevetto relativo al Pinch Manifold di Biorep. Secondo Bernal, di solito, i laboratori medici che esaminano i fluidi utilizzano un dispositivo chiamato valvola a pinza per evitare il contatto tra i fluidi contenuti nei tubi in silicone e le attrezzature. Le valvole a pinza schiacciano letteralmente i tubi che contengono i fluidi fino a chiuderli. Le valvole a pinza tuttavia tendono a surriscaldarsi e il loro funzionamento si basa sulla pressione dei tubi. Non sono completamente affidabili e hanno dei costi molto elevati. Nel caso in cui si verificasse un'interruzione dell'alimentazione, le valvole a pinza potrebbero aprirsi inaspettatamente e rilasciare il fluido all'interno.

Il dispositivo chiave di Biorep richiedeva 32 valvole a pinza senza contatto e affidabili. Le valvole a pinza standard non erano in grado di soddisfare i requisiti richiesti, pertanto il team di Biorep ha deciso di progettarne un nuovo modello.

Come risultato di questa decisione, il Pinch Manifold utilizza una serie di camme e un motore per controllare i fluidi all'interno di diversi canali soddisfacendo la stessa caratteristica anti-contatto delle valvole a pinza tradizionali. “Il nostro Pinch Manifold offre un nuovo strumento per la classificazione dei fluidi che non prevede alcun contatto con le parti della valvola,” dichiara Bernal. “I fluidi entrano in contatto soltanto con i tubi in silicone che sono monouso. All'interno dell'ambiente sterile di un laboratorio, è molto importante evitare la contaminazione delle attrezzature con i fluidi, spesso sangue o batteri, analizzati in quel momento. Per cui disporre di una valvola anti-contatto ricopre un'importanza fondamentale.”

In aggiunta, Bernal dichiara che “il sistema può essere esteso a tutti i canali desiderati, per cui risulta essere molto più efficace di un tradizionale sistema basato sulle valvole a pinza che normalmente è in grado di gestire un solo canale. Inoltre, poiché si tratta di un sistema più meccanico che elettromagnetico, è sicuro in caso di guasto. Nel caso in cui si verificasse un'interruzione dell'alimentazione, mantiene la propria posizione.”

Bernal ha iniziato a testare dei progetti che sono stati tutti prototipati sulla stampante Eden250. “Abbiamo capito subito che eravamo davanti a una scoperta importante,” dice Echeverri. “Abbiamo utilizzato un prototipo creato grazie alla tecnologia Objet per presentare il progetto ai dirigenti e ci ha fornito un aiuto prezioso per presentare il nuovo prodotto. Abbiamo ricevuto immediatamente il via libera per continuare il progetto.”

“La nostra capacità di produrre rapidamente prototipi in azienda ricopriva un ruolo fondamentale nel successo del progetto,” continua Bernal. “In primo luogo, potevamo procedere alla progettazione delle parti senza dover tenere conto delle limitazioni legate alla fase di lavorazione. Questo ci ha permesso di liberare la nostra inventiva: quando studiavamo una nuova idea, potevamo progettarla, stamparla e testarla immediatamente. In secondo luogo, dato che eravamo in grado di produrre una grande quantità di prototipi in tempi molto rapidi e con costi molto ridotti, abbiamo condotto numerosi test. L'adozione di questo sistema ci ha aiutato a individuare e a risolvere alcuni problemi funzionali durante la fase iniziale: tali problemi avrebbero potuto danneggiare il progetto se li avessimo individuati in una fase successiva.”

Il Pinch Manifold comprende circa dieci parti, ad esclusione del motore e sono state tutte prototipate singolarmente sulla stampante Eden250 e poi assemblate. Alcuni concetti iniziali non avrebbero potuto essere elaborati a causa della loro geometria. “In tutto abbiamo prodotto cinque prototipi completi, oltre a decine di parti individuali,” ricorda Echeverri. “Impostavamo le parti da stampare durante la notte e di ritorno al mattino potevamo testarle immediatamente.

La stampante Eden250 ha ridotto di sei mesi la realizzazione del progetto; ciò ha consentito di introdurre il Pinch Manifold sul mercato in tempi molto più rapidi.”

Il prototipo in 3D aiuta l'azienda a vincere i fondi elargiti dall'Istituto nazionale della sanità (NIH) per l'innovativo design della capsula di Petri

Un altro recente progetto la cui realizzazione è stata resa possibile dalla stampante Eden250 è quello relativo alla capsula di Petri in membrana di silicone, ribattezzata da Biorep con il nome di “Oxygen Sandwich.” Una normale capsula di Petri in plastica consente l'ingresso dell'ossigeno soltanto dall'alto. Gli scienziati dell'Istituto di ricerca sul diabete (Diabetes Research Institute, DRI) hanno ipotizzato che le cellule contenute nella capsula potessero respirare meglio, e quindi essere più vitali, se l'ossigeno avesse potuto raggiungerle sia dall'alto sia dal basso.

“Il silicone è permeabile all'ossigeno, per cui abbiamo deciso di cercare di creare una capsula di Petri in membrana di silicone,” dice Echeverri. “Gli scienziati dell'Istituto di ricerca sul diabete hanno sviluppato una miscela di silicone di loro proprietà che potenzia la permeabilità dell'ossigeno: il progetto è stato denominato Oxygen Sandwich perché avvolge le cellule nell'ossigeno da sopra e da sotto.”

Gli scienziati dell'Istituto di ricerca sul diabete hanno creato la membrana; il compito di Biorep era quello di progettare uno strumento che racchiudesse la membrana nella forma e nella funzione di una normale capsula di Petri.

Il team guidato da Echeverri ha prototipato il progetto iniziale sulla stampante Eden250 e in seguito ha effettuato test adottando molti approcci diversi per garantire la produzione e il corretto assemblaggio. “Il progetto finale della membrana ha uno spessore di soli 300 micron e risulta abbastanza solido da essere maneggiato in laboratorio senza causare danni e abbastanza teso da evitare l'allentamento. Abbiamo elaborato molti prototipi con configurazioni diverse per giungere a questa conclusione,” afferma Echeverri.

Il team ha inoltre utilizzato la prototipazione per garantire che il progetto potesse essere prodotto in serie. I prototipi prodotti durante l'esercitazione sono stati recentemente utilizzati per partecipare a un concorso indetto dall'Istituto nazionale della sanità (National Institutes of Health, NIH) i cui fondi hanno finanziato lo sviluppo continuo del progetto. “Poter disporre di un prototipo realistico, prodotto sulla stampante Eden250, ha certamente agevolato la dimostrazione del concetto e ha consentito di ottenere i fondi elargiti dall'NIH,” spiega Echeverri. “I disegni CAD non hanno la stessa efficacia al momento della presentazione di un tipo di progetto completamente nuovo.”

In soli sei mesi, la capsula di Petri in membrana di silicone di Biorep è passata dalla fase di progettazione allo stato corrente: testata sul campo in vari laboratori. “Sei mesi è un periodo di tempo incredibilmente breve per arrivare al test sul campo di un dispositivo medicale”, ha dichiarato Echeverri. “La nostra capacità di produrre rapidamente prototipi in azienda ha dimezzato i tempi di sviluppo.”

I risultati dei primi test sul campo sono promettenti: Gli scienziati del DRI riferiscono che le cellule sono più sane e producono una maggior quantità di insulina, aspetto di importanza fondamentale nell'avanzamento della ricerca sul diabete. Biorep è molto ottimista circa le possibilità commerciali del prodotto in settori diversi da quello della ricerca sul diabete come ad esempio lo studio delle cellule staminali.

L'impiego della stampante 3D libera Biorep dalle limitazioni legate alla fase di lavorazione e aiuta i progettisti a pensare fuori dagli schemi

L'R&D engineer di Biorep Bernal concorda sentitamente con la valutazione fatta da Echeverri secondo cui la possibilità di disporre della stampante Eden250 all'interno dell'azienda ha aiutato a migliorare la qualità generale dei progetti Biorep. “La capacità di elaborare rapidamente i prototipi all'interno dell'azienda ha spinto fortemente a pensare fuori dagli schemi in termini di progettazione” dice Bernal. “Il sistema di stampa 3D ci permette di testare rapidamente concetti innovativi tralasciando le considerazioni relative al DFM. Con la stampante Objet, possiamo dare priorità all'intento del progetto e sfruttare il consolidamento dell'assemblaggio per il proof of concept.”

Echeverri sostiene che la possibilità di disporre di una stampante 3D in azienda ha aiutato Biorep anche a diversificare l'offerta dei propri prodotti e ad aumentare il fatturato. “Ora siamo in grado di ideare ed elaborare i prototipi di una gamma di progetti più ampia” sostiene. “Ad esempio, proprio in questo momento stiamo lavorando su progetti che vanno dalle applicazioni della ricerca oftalmologica alle idee relative alla strumentazione chirurgica. In passato non avevamo a disposizione né il tempo né le risorse per fare tutto questo.

I cicli di sviluppo dei prodotti hanno subito un'accelerazione dato che ora siamo in grado di produrre progetti diversi contemporaneamente. La capacità di stampare le parti durante la notte, senza supervisione, ci ha fornito un prezioso aiuto e ci permette di aggirare i costi e i ritardi legati alle diverse configurazioni associate alla fase di lavorazione tradizionale.”

Infatti, per Biorep l'acquisto della stampante Eden250 ha apportato così tanti vantaggi che l'azienda sta pensando di aggiungere una seconda stampante 3D in grado di stampare parti funzionali utilizzando una gamma di materiali più ampia.

Echeverri nota che se da un lato Biorep ha sicuramente ottenuto un adeguato beneficio economico dall'acquisto della stampante Objet da giustificarne il costo, dall'altro il vero profitto è sapere che i dispositivi prototipati e perfezionati concorreranno a cambiare la vita delle persone. “Questa è la ragione del nostro lavoro” dice Echeverri. “Trovare una cura.”

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