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Precision grafting - Tessuti di precisione personalizzati

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2° Presentazione del workshop finale del progetto Custom Implants

Precision Grafting

Sviluppo, messa a punto e validazione in camera bianca di una innovativa piattaforma di lavorazione asettica dei tessuti ossei che integri un braccio robotico ed un sistema di visione 3D basato su scansione laser, al fine di ottimizzare la fabbricazione di tessuti di precisione.

Principali settori indirizzati: Dispositivi medici, Strumentari chirurgici, Guide di taglio personalizzate

Sito web del progetto: www.custom-implants.it

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Precision grafting - Tessuti di precisione personalizzati

  1. 1. Regione Emilia-Romagna, POR-FESR 2014-2020 ASSE 1 Ricerca e Innovazione Bando Rete regionale dell'Alta Tecnologia dell'Emilia-Romagna PI: Prof.ssa Maria Paola Landini Relatore: Ing. Leonardo Vivarelli
  2. 2. CUSTOM IMPLANTS 2
  3. 3. CUSTOM IMPLANTS 3 CUSTOM IMPLANTS: Progettazione e realizzazione di tessuti e endoprotesi su misura mediante tecnologie sottrattive e additive  1. Precision-Grafting (PreGra): Tessuti umani di precisione, mediante manifattura sottrattiva robotizzata (RIT-PROMETEO e CIRI-ICT)  2. Personalized-Scaffolds (PerSca): Dispositivi costituiti da biomateriali e/o cellule umane, ottenuti mediante stampa 3D e cellularizzazione in-vitro 2a. costrutti "misti", biomateriali e cellule (RAMSES) 2b. cellularizzazione magnetica di scaffold micro strutturati (NABI via MISTER)  3. Custom-Endoprotesi (CusEnd): Protesi per la chirurgia protesica sostitutiva, ottenute mediante stampa 3D in leghe metalliche e in polietilene. (ANALISI DEL MOVIMENTO e II CLINICA) Confindustria Emilia Romagna Ricerca (CERR)  C.A.T. Progetti Srl  I+ Srl  Samo Spa  EnergyGroup Srl
  4. 4. CUSTOM IMPLANTS 4 Precision Grafting Tessuti umani di precisione, mediante manifattura sottrattiva robotizzata
  5. 5. CUSTOM IMPLANTS 5 Precision Grafting Lab. PROMETEO - BTM Il Lab. ProMeTEO (Prodotti per la Medicina rigenerativa e di Tissue Engineering in Ortopedia) è da sempre legato a doppio filo con La Banca del Tessuto Muscoloscheletrico dell’Istituto Ortopedico Rizzoli (BTM). La BTM è una struttura pubblica no profit il cui scopo principale è la distribuzione di tessuto muscoloscheletrico umano a scopo trapianto. Per raggiungere questo scopo le attività principali sono la raccolta, la conservazione, la processazione e la distribuzione di tessuti da donatori viventi o deceduti.
  6. 6. CUSTOM IMPLANTS 6 Precision Grafting Dal 2010 il Lab. PROMETEO, in collaborazione con BTM, si è specializzato nella customizzazione dei tessuti, installando una fresatrice a controllo numerico per camera sterile (ditta Delta Macchine - Rieti), in grado di riprodurre modelli CAD-CAM da tratti di ossa corticospongiose. Lavorazione CNC
  7. 7. CUSTOM IMPLANTS 7 Mediante l’utilizzo di un supporto specifico si possono fissare stecche di differenti forme, al fine di ottenere: • Spaziatori intervertebrali • Lamine sottili (1 mm) • Compositi BTM: CNC – Lavorazione stecche Precision Grafting
  8. 8. CUSTOM IMPLANTS 8 BTM: CNC – Lavorazione blocchi Tavola di fissaggio progettata appositamente per lavoraretessuto osteocondrale o blocchi corticospongiosi da piatto tibiale e cresta iliaca. Precision Grafting
  9. 9. CUSTOM IMPLANTS 9 Le traiettorie di lavorazione CNC derivano da un progetto CAD, con questi limiti: area di lavoro della macchina; dimensione e forma della materia prima. Come punto di partenza per la progettazione CAD è possibile utilizzare una ricostruzione 3D da dati TAC. Software di segmentazione e ricostruzione: 3DSlicer BTM: Custom – Ricostruzione da TAC Precision Grafting
  10. 10. CUSTOM IMPLANTS 10 La realizzazione di un innesto osseo di precisione prevede le seguenti fasi: • Elaborazione dati, segmentazione e ricostruzione CT • Progettazione CAD dell'innesto, verifica del progetto • Programmazione CAM delle traiettorie di lavorazione • Selezione di materie prime • Fissaggio e lavorazione del tessuto, eventuale liofilizzazione BTM: Custom – Personalizzazione: Fasi Precision Grafting
  11. 11. CUSTOM IMPLANTS 11 Limitazioni dell’attuale fresatrice: L’attuale macchina, a 4 assi, anche con un sistema di supporto modificato, non consente di eseguire tutte le lavorazioni BTM: CNC - Problematiche Precision Grafting
  12. 12. CUSTOM IMPLANTS 12 Problema geometrico del materiale grezzo BTM: CNC - Problematiche Precision Grafting
  13. 13. CUSTOM IMPLANTS 13 Necessità di correggere le traiettorie di lavorazione: manualmente in Clean Room o automaticamente BTM: CNC - Problematiche Precision Grafting
  14. 14. CUSTOM IMPLANTS 14 In commercio esistono vari macchinari, anche molto complessi, ma non sono idonei all’ambiente a contaminazione controllata: Soluzioni commerciali Precision Grafting Settore dentale: non idonee a clean room, poco personalizzabili, area di lavoro limitata. Centri di lavoro: meccanica complessa con troppi interstizi
  15. 15. CUSTOM IMPLANTS 15 Precision Grafting Ambiente a contaminazione controllata: Aree per la processazione dei tessuti in Classe A con background di Classe B (classificazione secondo GMP) Ambienti sottoposti a pulizia costante con alternanza di prodotti. BTM: Ambiente di Processazione
  16. 16. CUSTOM IMPLANTS 16 BTM: Ambiente di Processazione Precision Grafting Per ogni lotto di tessuto processato, vengono eseguiti controlli di processo e di prodotto: • campionamento di particelle attive e microbiologiche; • campionamento passivo con piastre di sedimentazione; • impronta digitale dei guanti di entrambe le mani di tutti gli operatori in produzione; • controlli di qualità dei campioni rappresentativi dei tessuti trattati. I controlli di sterilità vengono eseguiti in ogni fase operativa. Il tessuto è dichiarato idoneo per l'impianto solo se i test batteriologici sono negativi e se ogni altro test ha fornito risultati compresi entro i limiti di accettabilità predefinita.
  17. 17. CUSTOM IMPLANTS 17 Requisiti macchinario innovativo Precision Grafting • Idoneità delle componenti ai prodotti di pulizia • Struttura semplice, senza interstizi • Esecuzione traiettorie complesse • Area di lavoro ampia
  18. 18. CUSTOM IMPLANTS 18 Precision Grafting Struttura del nuovo macchinario Componenti principali: Robot adatto a prodotti per la pulizia della CR, elettromandrino con cambio utensile. Caratteristiche Piattaforma: • 6 assi movimentazione utensile • Ampia area di lavoro • Cambio utensile nella stessa lavorazione
  19. 19. CUSTOM IMPLANTS 19 Precision Grafting Robot: Caratteristiche La maggiore difficoltà è stata nell’individuare un robot che fosse idoneo all’ambiente e resistente al perossido di idrogeno, il prodotto più aggressivo utilizzato per la pulizia della Clean Room. L’unico prodotto sul mercato con tali caratteristiche è il modello Staubli TX60 Stericlean
  20. 20. CUSTOM IMPLANTS 20 Precision Grafting Robot: Caratteristiche La scelta della taglia del robot è stata guidata dalle esigenze di spazio, precisione del robot e payload (carico) Carico masssimo 9 kg Carico nominale 3.5 kg Raggio d’azione 670 mm Gradi di libertà 6 Ripetibilità ±0.02 mm Protezione (*polso) IP65 (*67)
  21. 21. CUSTOM IMPLANTS 21 Precision Grafting Elettromandrino • Leggero • Cambio utensile pneumatico • Sovrapressione interna • Struttura esterna in alluminio anodizzato
  22. 22. CUSTOM IMPLANTS 22 Precision Grafting Pannello operatore - EXOR ex710 • Pannello in vetro IP66 • Touch screen 10.1’’ capacitivo, multitouch • Risoluzione 1280x800 pixel, 16M colori • Connettività con BUS di campo
  23. 23. CUSTOM IMPLANTS 23 Precision Grafting Carteratura Portello principale con pannello in plexiglass e blocco automatico Alloggiamento pannello operatore Alloggiamento collegamenti PC e pulsante emergenza
  24. 24. CUSTOM IMPLANTS 24 Precision Grafting Carteratura Parte superiore: Area lavorazione (robot, cablatura intubata, carteratura saldata senza interstizi) Parte inferiore: Supporto e alloggiamento elettronica ispezionabile
  25. 25. CUSTOM IMPLANTS 25 Precision Grafting Morsetto • Base e supporto • Assemblaggio e disassemblaggio senza perdita di precisione • Sedi per morsetti custom
  26. 26. CUSTOM IMPLANTS 26 Precision Grafting Elettronica Controller Robot CS8 Bus di campo MODBUS TCP-IP Pannello operatore Dispositivi I/O PC: Software CAD-CAM Configurazioni Ethernet Ethernet Monitor Tastiera Mouse
  27. 27. CUSTOM IMPLANTS 27 Precision Grafting Simulazione La simulazione interna al software di programmazione robot ha consentito di verificare la correttezza del progetto prima della sua realizzazione, simulando i posizionamenti estremi più complessi.
  28. 28. CUSTOM IMPLANTS 28 Precision Grafting Software Robot Il software del controller del robot CS8 gestisce tutta l’isola di lavorazione. È composto principalmente da due programmi che agiscono in parallelo: • PLC – dedicato alla gestione logica della piattaforma (emergenze, modalità, comunicazione,…) • Motion – dedicato alla esecuzione delle traiettorie robot
  29. 29. CUSTOM IMPLANTS 29 Precision Grafting Software CAD/CAM dedicato Software specifico per generare traiettorie Robot • Progettazione CAD/CAM • Simulazione lavorazione e verifica collisioni nella cella di lavoro • Generazione traiettorie
  30. 30. CUSTOM IMPLANTS 30 Precision Grafting Associazione con Laser scanner Avere a disposizione nel software CAD/CAM la ricostruzione 3D del materiale grezzo consentirebbe un corretto posizionamento ed orientamento delle traiettorie
  31. 31. CUSTOM IMPLANTS 31 Precision Grafting Fornitura tessuti non idonei Al fine di sperimentare il corretto funzionamento del prototipo di scansione e di migliorarne le caratteristiche, sono stati forniti a CIRI-ICT delle stecche di diafisi femorali, non più idonee all’impianto in quanto era superato il termine di utilizzo per trapianto.
  32. 32. CUSTOM IMPLANTS 32 Precision Grafting Attività di personalizzazione degli innesti Caso di progettazione personalizzata di due innesti per lo stesso paziente.
  33. 33. CUSTOM IMPLANTS 33 Precision Grafting Attività di personalizzazione degli innesti Innesto DX Innesto SN

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