COMPAMED Innovationsforum 2024: Le tecnologie degli impianti rivoluzionano la tecnologia medica

Inconspicui eppure altamente innovativi - gli impianti sono prodotti high-tech (© Constanze Tillmann).

Gli impianti medici hanno rivoluzionato il settore sanitario. Piccoli e potenti dispositivi assumono sempre più funzioni all’interno del corpo umano grazie alla miniaturizzazione e all’aumentata intelligenza, spiega il dottor Thomas R. Dietrich, CEO dell’associazione di settore Mikrotechnik IVAM. "Tecnologia degli impianti intelligenti" è stato il tema generale del forum di innovazione COMPAMED di quest’anno. L’evento digitale, svolto sotto forma di webinar il 3 giugno, è stato nuovamente organizzato congiuntamente da IVAM e dalla fiera di Düsseldorf e ha offerto uno sguardo su un tema centrale di COMPAMED, che si terrà nuovamente nel 2024 nelle fiere di Düsseldorf, padiglioni 8a e 8b, dall’11 al 14 novembre.

La fiera internazionale di riferimento per il settore dei fornitori dell’industria della tecnologia medica, che si svolge sempre in parallelo alla principale fiera medica MEDICA, offre l’intero spettro di materiali, sistemi, prodotti e servizi per la tecnologia medica. "Lo scorso anno, MEDICA e COMPAMED hanno registrato complessivamente 83.000 visitatori. In base all’attuale andamento delle prenotazioni, prevediamo ancora circa 750 aziende espositrici a COMPAMED e oltre 5.000 a MEDICA", afferma Christian Bigge di Düsseldorf, guardando al passato e al futuro.

I dati di mercato pubblicati da aziende di ricerca come Skyquest Technologies Group dimostrano l’importanza degli impianti medici oggi e in futuro. Secondo queste stime, il mercato globale degli impianti medici nel 2022 era valutato a 90,3 miliardi di dollari e si prevede che crescerà a un tasso annuo del 6,8%, raggiungendo i 152,85 miliardi di dollari entro il 2030. Gli impianti medici sono stati sviluppati per ripristinare le funzioni corporee, alleviare il dolore e migliorare la qualità della vita. Un fattore chiave di crescita è l’aumento della prevalenza di malattie croniche e di condizioni legate all’età, come artrosi, malattie cardiovascolari e degenerative dei dischi spinali. Inoltre, i progressi nelle tecnologie degli impianti e nelle tecniche chirurgiche favoriscono la crescita del mercato, consentendo lo sviluppo di procedure di impianto ancora più precise e minimamente invasive. Il mercato globale degli impianti medici offre notevoli opportunità di crescita e sviluppo. Innovazioni tecnologiche come la stampa 3D, i materiali biocompatibili e la nanotecnologia promettono lo sviluppo di impianti su misura, superfici migliorate e biocompatibilità.

Con la forza magnetica verso impianti intelligenti

I magneti svolgono un ruolo importante nello sviluppo di impianti "intelligenti". Due fattori sono particolarmente rilevanti: la tecnologia magnetica migliora i risultati per il paziente, riducendo l’invasività e aumentando la qualità della vita, e copre un ampio spettro di applicazioni, dai impianti cocleari ai medicinali impiantabili. Questo è anche dovuto al fatto che sono disponibili materiali magnetici morbidi e duri. Quando i tipi di magneti vengono magnetizzati, si manifestano comportamenti, applicazioni e possibilità di impiego differenti: i materiali magnetici morbidi possono essere facilmente modificati nel loro stato magnetico, mentre quelli duri, una volta magnetizzati, sono difficili da modificare e sono considerati permanenti. "Grazie a questa varietà, l’uso dei nostri magneti offre numerosi vantaggi tecnologici e clinici. Tra questi, il controllo fine della funzione dell’impianto per risultati terapeutici migliori, regolazioni non invasive e trasmissione di energia, maggiore comfort per il paziente grazie a impianti più piccoli ed efficienti, e una sicurezza migliorata grazie al rispetto rigoroso degli standard di legge", afferma Mike Schilling, Medical Market Manager di Dexter Magnetic Technologies.

L’azienda è uno dei principali sviluppatori di soluzioni magnetiche per dispositivi medici impiantabili. Tra questi, ad esempio, un dispositivo di supporto cardiaco che utilizza pompe cardiache minimamente invasive, che richiedono motori miniaturizzati. Un alto momento magnetico garantisce la coppia necessaria, mentre l’elevata coercitività offre resistenza alla smagnetizzazione. "Questo ci permette di ridurre ulteriormente le dimensioni e il rapporto tra lunghezza e larghezza", dice Schilling. Un altro esempio è l’asta intramidollare, un impianto con un meccanismo magnetico-meccanico unico, che consente un allungamento osseo di alta precisione delle estremità inferiori. Ciò è reso possibile dall’uso di leghe di titanio e materiali senza ferrite, che sfruttano il magnetismo per trasmettere la forza. Con questo impianto, si può ottenere un allungamento osseo fino a 85 millimetri. Un progetto di drenaggio linfatico è ancora in fase di sviluppo. Utilizza la tecnologia di accoppiamento magnetico per facilitare il movimento e il deflusso della linfa, e mira a superare le limitazioni delle metodologie attuali.

La stampa 3D sempre più importante nelle tecnologie degli impianti

Fondata nel 2011 da tre studenti, Formlabs è oggi il più grande produttore mondiale di stampanti 3D professionali basate sulle tecnologie di stereolitografia (SLA) e sinterizzazione laser selettiva (SLS). Formlabs sviluppa e produce l’intera gamma di hardware, software e materiali per la prototipazione e la produzione. Solo nel settore della ricerca sui materiali, lavorano 60 dipendenti, tra cui quelli impegnati nello sviluppo di resine biocompatibili essenziali per la medicina. Nel suo intervento al forum di innovazione COMPAMED, Shiden Yohannes, Manager Medical Market Development di Formlabs, ha mostrato i notevoli progressi che la stampa 3D ha compiuto negli ultimi anni nel campo delle tecnologie degli impianti. Studi presso l’Università di Gand, in Belgio, dimostrano ad esempio l’uso di modelli didattici e di addestramento per lo stenting delle carotidi (Carotis Artery Stenting, CAS).

Grazie alla stampa 3D, è possibile riprodurre anatomie specifiche del paziente e inserire stent per simulare le procedure. Per questo motivo, questi modelli vengono utilizzati sia per la formazione endovascolare che per l’informazione ai pazienti. In uno studio, è stato probabilmente utilizzato per la prima volta un modello economico, personalizzato e stampato in 3D, per insegnare l’inserimento di stent CAS con visualizzazione diretta e senza fluoroscopia. Sono stati convertiti in formato STL i dati di angiografia TC con un software speciale ("Mimics inPrint"). Le carotidi sono state sezionate su entrambi i lati, in modo che l’intero modello potesse essere stampato con una stampante Formlabs 2, senza perdere il diametro interno dei vasi. Grazie a questo studio, si è dimostrato che è possibile produrre modelli molto complessi a costi contenuti anche in ospedale e che la stampa di modelli 3D personalizzati può aiutare nella selezione precisa del paziente, nella pianificazione preoperatoria, nella formazione specifica e nell’informazione ai pazienti prima dell’intervento.

Nuove protesi mammarie bioprotesiche grazie alla stampa 3D

L’Europa è tra le regioni del mondo con il più alto tasso di incidenza di tumore al seno. In tutta l’UE, una donna su undici si ammalerà di questa forma di cancro nel corso della vita. La mastectomia rappresenta un intervento particolarmente gravoso per le pazienti. Il progetto europeo MAT(T)ISSE si basa sullo sviluppo di una nuova bioprotesi, un impianto medico di classe 3, che aiuterà il corpo umano a ripristinare le zone di tessuto danneggiate dopo interventi chirurgici curativi. La ricostruzione tissutale avviene tramite l’autologa rimozione di cellule adipose (tessuto adiposo), reimpiantate sotto forma di rete sintetica e riassorbibile su una struttura tessile. Questa struttura viene combinata con una struttura a guscio personalizzata e tridimensionale, che delimita il volume da ricostruire. L’impianto comprende un supporto per la crescita cellulare (punta) e una custodia stampata in 3D con lo stesso materiale riassorbibile. Le tecniche di produzione additiva consentono di realizzare protesi personalizzate sulla base di scansioni MRI, adattate alle morfologie dei pazienti. La custodia riassorbibile scompare infine, permettendo alla paziente di ottenere un seno di forma naturale grazie alla rigenerazione delle proprie cellule. Il focus del progetto MAT(T)ISSE è sull’applicazione in impianti mammari, ma gli scienziati stanno studiando anche altri possibili impieghi ricostruttivi (chirurgia terapeutica e estetica), poiché il modello sviluppato potrebbe essere applicato ad altre parti del corpo (viso, faccia, ecc.).

Nuove possibilità di comunicazione per gli impianti

Poiché gli impianti diventano sempre più "intelligenti", anche la comunicazione con essi assume un’importanza crescente. Un nuovo approccio in questa direzione è stato presentato dal Prof. Niels Benson dell’Università di Duisburg-Essen al forum di innovazione COMPAMED. Ha fondato la start-up airCode, che si occupa di realizzare una comunicazione wireless fuori dal corpo (Out-of-Body). "Grazie alle nostre avanzate funzioni di simulazione e test, possiamo progettare e sviluppare moduli di comunicazione ottimali per dispositivi medici attivi di nuova generazione o altre applicazioni WBAN (Wireless Body Area Network). Questo è possibile anche per applicazioni Bluetooth in vivo", spiega l’obiettivo dell’azienda.

I tipici impianti non consentono un’interazione diretta con il paziente. Le modalità di comunicazione tradizionali, come gli smartphone, non sono compatibili con gli impianti medici. Per ricevere aggiornamenti sullo stato o interagire con l’impianto, è necessario l’intervento di un medico e di attrezzature specializzate. La nuova soluzione di airCode si basa su Bluetooth nella banda ISM (2,4-2,48 GHz), riducendo le perdite di segnale tipiche grazie a un’antenna impiantata. airCode offre moduli di antenna proprietari combinati con software di gestione dei dati per l’integrazione delle applicazioni. "Consentiamo la comunicazione anche in ambienti complessi, come vicino all’acqua o ai metalli, con un focus sulla comunicazione extraboddy per applicazioni mediche. Questo va dalle frequenze standard mediche a quelle non convenzionali come Bluetooth, permettendo una connessione diretta tra applicazioni in vivo e smartphone", riassume l’esperto Benson.

Sigillature ermetiche, affidabili e durevoli: sigillature in vetro-metallo

Per l’uso di impianti, spesso è necessario realizzare tecnologie di assemblaggio e connessione. In questi casi, sono indispensabili giunzioni sigillate ermeticamente. Da oltre 80 anni, il settore "Electronic Packaging" del specialista del vetro Schott ha sviluppato i primi vetri per sigillature ermetiche tra vetro e metallo. Oggi, l’azienda dispone di un portafoglio unico di componenti innovativi per involucri ermetici e polveri di vetro speciali ad alte prestazioni, che stanno acquisendo sempre più importanza anche nel settore di vari impianti. La combinazione vetro-metallo presenta numerosi vantaggi: crea una tenuta sicura e non permeabile, che non si deteriora con l’età come i materiali di tenuta organici. Le sigillature vetro-metallo sono preferite quando si devono proteggere componenti elettronici o elettrochimici sensibili in modo affidabile e duraturo.

Tutti i materiali si espandono e si contraggono quando sono sottoposti a variazioni di temperatura. La tecnologia di combinazione vetro-metallo richiede la selezione del coefficiente di dilatazione termica (WAK) adeguato del vetro e dei metalli usati per i conduttori e i pin di contatto. Schott produce giunzioni elettriche e involucri di questo tipo con materiali biocompatibili per dispositivi impiantabili, molto affidabili e durevoli. Inoltre, "le custodie completamente in vetro miniaturizzate rappresentano la prossima generazione di impianti medici attivi e batterie", ha illustrato Julia Hütsch, Product Manager Medical Electronics di Schott, le prospettive future delle sigillature ermetiche e delle connessioni vetro-metallo. Tra queste, la possibilità di montaggio flessibile, applicazioni a livello di chip e wafer, e l’ottima compatibilità con rivestimenti e componenti sensibili. La trasparenza RF consente la trasmissione wireless di energia e dati, e la struttura in vetro non interferisce con le immagini mediche. Queste soluzioni si distinguono anche per la biocompatibilità, non richiedono additivi o adesivi e sono estremamente ermetiche. Sono inoltre compatibili con applicazioni cardiache, come pacemaker e neurostimolatori. Molti vantaggi nel crescente mercato degli impianti!

Sistema di impianto Brain Interchange – flusso diretto di informazioni tra cervello e computer

Lo sviluppo del sistema Brain Interchange di CorTec è stato illustrato dal dottor Martin Schüttler, CTO e cofondatore dell’azienda. "Il sistema è in grado di scambiare informazioni tra biologia e tecnologia, tra cervello e computer. Per questo lo chiamiamo CorTec Brain Interchange. Con il nostro sistema forniamo gli strumenti tecnologici necessari per lo sviluppo di nuove terapie e applicazioni di interfaccia cervello-computer", afferma Schüttler. Le malattie cerebrali sono molto diffuse e rappresentano non solo una fonte di sofferenza, ma anche un problema di costi elevati. Tra queste, ansia, emicrania, depressione, demenza, epilessia, ictus, Parkinson, sclerosi multipla e tumori cerebrali. I costi complessivi di trattamento di tutte queste patologie ammontano in Europa a circa 480 miliardi di euro all’anno. Un’ampia gamma di disturbi cerebrali potrebbe essere trattata con il sistema Brain Interchange, che utilizza impianti di neuromodulazione ormai consolidati. Il mercato della neuromodulazione profonda del cervello è stimato a 770 milioni di dollari nel 2023.

Di recente, l’ente statunitense FDA ha concesso un’autorizzazione speciale (Investigational Device Exemption) all’Università di Washington per l’uso del sistema di impianto Brain Interchange in studi clinici. In questa sperimentazione, si valuta un nuovo trattamento di riabilitazione per l’ictus, che utilizza la stimolazione corticale per migliorare la plasticità cerebrale. Con l’approvazione del sistema per l’uso umano, CorTec è pronta a supportare clinici e gruppi di ricerca con la sua tecnologia avanzata di impianto per esplorare nuove possibilità di trattamento delle malattie neurologiche. Il dottor Oliver Baertl, CEO di CorTec, aggiunge: "Siamo molto lieti del feedback della FDA! Questo rappresenta un primo passo importante per CorTec nel supportare la ricerca clinica nel settore in rapida crescita della neuromodulazione e delle interfacce cervello-computer. Ci aspettiamo molti altri studi con il nostro sistema. La prima applicazione umana sarà il prossimo traguardo per la nostra tecnologia e la nostra azienda."

Polimeri medici per impianti neurali intelligenti

La funzionalità e la sicurezza di molti impianti diversi hanno raggiunto un livello tale che i dispositivi possono rimanere nel corpo per decenni. Il Fraunhofer IZM vanta una lunga storia nel promuovere l’introduzione di dispositivi impiantabili nella pratica clinica standard. Tra queste innovazioni ci sono sviluppi pionieristici come i chip-Scale-Packages per pacemaker, sistemi di controllo di pompe chemioterapiche impiantabili, moduli per impianti retinici e interfacce cerebrali wireless direttamente collegate alla corteccia cerebrale. Le competenze del Fraunhofer IZM spaziano dalla scelta dei materiali e dalla miniaturizzazione ai test di affidabilità e alla valutazione dei rischi a livello tecnico e biologico. L’istituto collabora con aziende leader e istituzioni di ricerca in tutto il mondo. Grazie alla tecnologia biocompatibile per interfacce neurali attive, l’elettronica stimolante può essere integrata in substrati morbidi e biocompatibili di poliuretano, e grazie a elettrodi d’oro può stimolare i nervi periferici. Gli impianti neurali richiedono molte componenti diverse per funzionare come sistema chiuso a lungo termine. La loro produzione è complessa a causa dei substrati flessibili e degli elevati standard di affidabilità e sicurezza richiesti per le applicazioni impiantabili. Il gruppo di lavoro sulla bioelettronica di IZM sviluppa tecnologie di piattaforme flessibili per integrare e collegare vari componenti in substrati di polimero morbido. Tecniche di flip-chip e di incapsulamento vengono utilizzate per integrare componenti fissi come circuiti sottili o trasduttori a ultrasuoni. Le connessioni metalliche tra componenti integrati nel tessuto e gli elettrodi vengono realizzate tramite sputtering, galvanizzazione e plasma-etching. Tecniche di litografia innovative consentono di sviluppare sistemi altamente miniaturizzati e precisi. Nel suo intervento al forum di innovazione, la professoressa Vasiliki Giagka ha presentato i risultati più recenti di uno studio di un anno, condotto in vitro e in vivo, sulle rivestimenti conformi di interfacce neurali attive. "Abbiamo studiato in particolare il ruolo del silicone e degli strati di passivazione standard dei circuiti integrati come barriere alle fluidi biologici per impianti monocircuito", spiega Giagka.

Gli impianti sono da tempo componenti indispensabili per il "sostituto" del corpo umano. Il loro sviluppo fa grandi progressi e si espande in nuovi settori. Il forum di innovazione COMPEMED ne è una prova concreta. Chi desidera conoscere l’intera gamma di servizi dell’industria della tecnologia medica, oltre ai dispositivi impiantabili, può visitare COMPAMED 2024 (dal 11 al 14 novembre) presso i padiglioni 8a e 8b di Düsseldorf. In cinque aree tematiche, le aziende espositrici presenteranno una vasta gamma di soluzioni high-tech e di servizi. Le aree sono: Manufacturing & Devices (componenti, parti, processi di produzione), Services & Advice (ricerca, sviluppo, servizi), Materials (plastica, vetro, ceramica, metalli, compositi, adesivi, imballaggi), Micro Tech (microcomponenti, microfluidica) e IT in Tech (sviluppo software e manutenzione per la tecnologia medica).