Grazie a sensori impiantabili le protesi articolari potranno localizzare la presenza di micro-fratture e i mezzi di sintesi potranno individuare precocemente le infezioni. Un’applicazione è già in fase di sviluppo, il primo passo verso una linea digitale
Nonostante i continui miglioramenti nella chirurgia protesica, le statistiche rivelano che il 5-10% degli interventi va incontro a fallimenti prematuri. I numeri assoluti sono ancora più impressionanti, perché queste percentuali vanno applicate alle quasi tre milioni di persone che si sottopongono ogni anno a sostituzione protesica di anca, ginocchio e non solo.
E sono destinati a crescere, dato l’invecchiamento globale della popolazione. La ricerca però è molto attiva, non solo sul fronte strettamente biologico, come lo studio delle infezioni periprotesiche, ma anche nell’ingegneria biomedica, che propone approcci sorprendenti. Chi avrebbe potuto pensare, solo pochi anni fa, a “tatuaggi” sulle protesi? Eppure questa apparente bizzarria si inserisce in un consolidato filone di ricerca, quello dei sensori impiantabili, destinato a lasciare il segno in ortopedia, in odontoiatria e in gran parte delle specialità mediche.
Gaetano Marrocco
A pensarla così è il professor Gaetano Marrocco, direttore del gruppo di ricerca di Elettromagnetismo pervasivo della facoltà di Ingegneria dell’Università di Roma “Tor Vergata”, che ha recentemente sviluppato una nuova tecnologia wireless applicabile a qualunque tipo di protesi, in grado di individuare e localizzare tempestivamente la presenza di micro-fratture prima che esse danneggino la protesi. I risultati della ricerca sono stati pubblicati sulla rivista IEEE Journal of Electromagnetics, RF and Microwaves in Medicine and Biology (1).
«Nelle protesi ortopediche – spiega Marrocco – le fratture non costituiscono purtroppo un evento rarissimo e possono essere dovute a un carico eccessivo oppure a cadute accidentali. E se le lesioni sono molto piccole, non c’è modo di individuarle dall’esterno, ce ne si accorge solo quando c’è la frattura completa della protesi, con bordi acuminati che vanno a produrre danni al muscolo, dolore e infezione».
L’idea, come si diceva, è quella di applicare un sensore che possa individuare anche la più piccola incrinatura; dispositivi di questo tipo si possono realizzare, e lo stesso team romano ne aveva sperimentati diversi tipi, ma il problema è che non si sa in quale punto avverrà di preciso la frattura. «Abbiamo allora pensato – dice il professore – di utilizzare una specie di tatuaggio, dall’aspetto di un labirinto, con curve molto arzigogolate che riempiono il piano, in modo tale che possa fungere da elettrodo. Abbiamo effettuato una microincisione, l’abbiamo poi riempita con un materiale isolante e sopra di esso abbiamo realizzato un tatuaggio di inchiostro metallico conduttivo. Se insorge una scalfittura, una minuscola lesione, l’elettrodo viene interrotto e si passa da un corto circuito a un circuito aperto, condizione che può essere rilevata da un microchip. Se la protesi è stata tassellata, ogni tassello sarà provvisto di un chip con un codice di identificazione univoco. In questo modo la frattura sarà anche localizzabile. Se colleghiamo un’antenna, ci accorgiamo che c’è un’anomalia nella regione occupata dal tatuaggio. Tutta l’energia che serve può essere fornita dall’esterno e l’antenna funziona soltanto quando si vuole leggere il dato». Dal momento che la lettura può essere eseguita fino a un metro di distanza, anche l’ambiente in cui vive il paziente, opportunamente sensorizzato, potrà farsi carico di effettuare controlli periodici.
Questa modalità è stata già sperimentata dal gruppo di ricerca usando un fantoccio di gamba e una protesi di anca realizzata con stampa 3D in collaborazione con il laboratorio di Prototipazione virtuale di “Tor Vergata” diretto da Pier Paolo Valentini.
La forma del tatuaggio non è casuale: è stata scelta in base alle proprietà di una particolare curva matematica, chiamata space filling curve (Sfc, curva che riempie lo spazio), teorizzata per primo dal matematico piemontese Giuseppe Peano e poi raffinata da vari altri studiosi. Queste curve, generabili applicando formule matematiche, hanno la capacità di riempire una superficie senza mai intersecarsi. Formano densi labirinti e possono avere l’apparenza di isole che si interconnettono, come gli elementi delle opere di Escher.
Antenne anche per i mezzi di sintesi
I bioingegneri del gruppo di Elettromagnetismo pervasivo hanno studiato un’altra applicazione, questa volta per le classiche placche ortopediche tuttora usate per fissare diversi tipi di fratture (2).
Si tratta, com’è noto, di placche di metallo con dei fori, in alcuni dei quali vengono introdotte delle viti che si agganciano all’osso, per fissare le due parti che si sono disconnesse; possono poi rimanere in sede o essere rimosse dopo la sistemazione dell’osso. «Anche in questo caso, le infezioni sono una minaccia concreta – ricorda Marrocco – e, se si sviluppano in profondità, non sono facilmente percepibili dall’esterno. Inoltre i batteri si sedimentano uno sopra l’altro formando biofilm che sono molto difficili da eradicare e richiedono dosi massicce di antibiotici. Allora noi abbiamo pensato di usare uno dei fori non utilizzati delle placche e sistemarvi una specie di cappuccio: una piccola vite finta che trasforma la placca in un’antenna – non serve aggiungerne un’altra – e la convoglia in un piccolo chip che misura la temperatura, che si può leggere dall’esterno. Se aumenta, costituisce un indice di probabile infezione e si può intervenire per tempo».
Tutti questi microchip sono inoltre provvisti di una piccola memoria interna e possono conservare informazioni sul dispositivo medico, la data di impianto ed eventuali note sull’esito degli ultimi controlli medici, funzionando così come una cartella clinica digitale che diventa un tutt’uno con il paziente.
Un’attenzione speciale è rivolta alla biocompatibilità: «è il primo requisito di qualsiasi dispositivo impiantato e nel nostro caso si risolve realizzando dei rivestimenti della protesi con un piccolo strato di materiali notoriamente biocompatibili perché già sperimentati in altri contesti biomedicali».
La tecnologia delle placche ortopediche ingegnerizzate è stata sperimentata in laboratorio, «con pezzi di carne che abbiamo scaldato», eppure ha sicuramente una possibilità di essere implementata in un tempo più breve rispetto al tatuaggio alle protesi. «Tant’è vero che un’applicazione simile è già in fase di sviluppo con una società multinazionale», rivela il professore, senza spingersi ovviamente nei dettagli. Ma i tempi sono rapidi e gli studi, preclinici e clinici, sono dietro l’angolo: «dai primi lavori fatti nel nostro laboratorio fino a un trasferimento tecnologico industriale sono passati appena quattro o cinque anni. Significa che le grandi società che lavorano nel settore ortopedico hanno individuato gli articoli scientifici e hanno intuito le potenzialità di realizzare una linea digitale. Trasformare oggetti ortopedici, protesici, puramente meccanici in generatori di dati è ormai una tendenza inarrestabile».
Renato Torlaschi
Giornalista Tabloid di Ortopedia
Bibliografia:
1. Nappi S, Gargale L, Naccarata F, Valentini PP, Marrocco G. A Fractal-RFID Based Sensing Tattoo for the Early Detection of Cracks in Implanted Metal Prostheses. IEEE Journal of Electromagnetics, RF and Microwaves in Medicine and Biology, 2021.
2. Avaltroni P, Nappi S, Marrocco G. Antennifying orthopedic bone-plate fixtures for the wireless monitoring of local deep infections. IEEE Sensors Journal, vol. 21, no. 18, 2021.
