Progettazione e realizzazione di un "trocar drop-free" per applicazione al settore oftalmico

Secretazione Tesi - Il contenuto di questa tesi di laurea è strettamente riservato, essendo presenti argomenti tutelati dalla legge come segreti. Pertanto tutti coloro che ne prendono conoscenza sono soggetti all’obbligo, sanzionato anche penalmente dagli articoli 325 e 623 del codice penale, di non divulgare e di non utilizzare le informazioni acquisite. - Introdotta nel 2002, la procedura di chirurgia mini-invasiva vitreo-retinica dell’occhio, dal nome di Vitrectomia Transcongiuntivale senza Suture (TSV: Transconjuntival Sutereless Vitrectomy), prevede l’utilizzo di trocar (microcannule) a 25-g che permettono la creazione di microcanali per l’introduzione della microstrumentazione chirurgica necessaria all’intervento nell’ambiente del vitreo. Dato che il diametro esterno di tali microcannule è pari a 0,5 mm (25-g), le incisioni lasciate sulla sclera sono così piccole da potersi sigillare senza suture. La procedura non causa alcun trauma chirurgico alla congiuntiva, non richiede suture alla sclera, e permette tempi di recupero estremamente rapidi. Tuttavia, nel momento dell’inserzione, questa procedura ha una problematica di notevole interesse ingegneristico: non appena il microbisturi, inserito attraverso la microcannula, è estratto e quest’ultima è lasciata in sede, a causa della differenza tra la pressione interna all’occhio e quella atmosferica, si forma un drop di vitreo alla testa del trocar. Essendo l’umor vitreo un sistema dotato di scarso e lento ricambio, eventuali infezioni che si possano verificare entrando in contatto con l’ambiente esterno possono produrre una grave alterazione del suo delicato equilibrio interno. Il chirurgo, al termine di un intervento che non implichi la rimozione completa del corpo vitreo originale, si trova a dover scegliere tra il rischio di avere immesso agenti infettivi nell’ambiente vitreale e il ricorso alla rimozione della parte di vitreo che è emersa dalla microcannula. Entrambi i casi possono portare a conseguenze ben più gravi per il paziente quale ad esempio il distacco della retina. È proprio dall’esigenza di risolvere tale problematica, che scaturisce l’obiettivo del presente lavoro di tesi, nato dalla collaborazione con la Clinica di Chirurgia Oftalmica dell’Ospedale S. Chiara di Pisa: sviluppare un trocar oftalmico di nuova generazione in grado di risolvere il problema della formazione di drop all’interfaccia vitreo-sala operatoria, riducendo drasticamente il volume di umor vitreo che normalmente fuoriesce durante la Transconjuntival Sutureless Vitrectomy. Tale dispositivo consentirà una diminuzione delle controindicazioni chirurgiche, limitando sia le probabilità di distacco di retina che il rischio di infezione a livello dell’umor vitreo. Nell’ambito della tradizionale chirurgia mini-invasiva, la fuoriuscita di fluidi biologici da trocar per laparoscopia, è generalmente risolta con l’utilizzo di valvole a rubinetto. Nel caso della TSV, a causa delle dimensioni microscopiche dei trocar impiegati, tale scelta non risulta applicabile. Per raggiungere l’obiettivo fissato, sarà quindi necessario sviluppare una nuova modalità di controllo dell’interfaccia trocar-umor vitreo e trocar-ambiente operatorio. In ogni caso, il dispositivo che si è intenzionati a realizzare, dovrà rispettare le seguenti specifiche di progetto, dettate dagli specialisti del settore: - essere realizzato in materiale biocompatibile, possibilmente elastomerico, - resistente all’usura e alla rottura, - sterilizzabile con le classiche tecniche di sterilizzazione presenti in ambiente clinico, - producibile su larga scala con metodologie fabbricative standard, - dal costo contenuto, - facile da utilizzare dall’operatore medico. Il lavoro è stato articolato nelle seguenti quattro fasi: 1) studio ed analisi della letteratura sulla TSV e sui trocar disponibili attualmente in commercio; 2) progettazione e sviluppo di modelli analitici ed agli elementi finiti, di diverse tipologie di trocar, in modo da valutare la riduzione della portata di umor vitreo in uscita e la resistenza degli stessi, agli sforzi agenti durante l’intervento chirurgico; 3) realizzazione delle tipologie di trocar che in fase modellistica hanno fornito i risultati migliori, utilizzando tecniche di microfabbricazione; 4) convalida sperimentale della rispondenza dei trocar realizzati con i requisti fissati. La prima fase ha permesso di inquadrare le problematiche connesse alla TSV, tramite un approfondito studio della letteratura scientifica presente ed un confronto continuo e proficuo con esperti del settore oftalmico. Sono stati raccolti inoltre dati sull’anatomia dell’occhio e sulle caratteristiche principali dell’umor vitreo, sulla procedura chirurgica, nonchè sulle dimensioni caratteristiche dei trocar attualmente disponibili in commercio ed utilizzati nella normale pratica clinica. Una volta acquisite tutte le informazioni necessarie per un’approfondita conoscenza dell’ambiente occhio, si è passati alla fase di modellazione del sistema. Tale fase, spesso trascurata durante lo sviluppo di nuovi sistemi chirurgici, ha il notevole pregio di ridurre i costi di sviluppo, in quanto permette di simulare diverse tipologie e condizioni operatorie, senza dover passare obbligatoriamente alla fase realizzativa e sperimentale, e così valutare l’efficienza dei dispositivi progettati. Inizialmente è stato sviluppato un modello analitico del sistema trocar attualmente utilizzato nella pratica clinica. Tale analisi ha mostrato una notevole concordanza con i dati ottenuti dall’osservazione sperimentale del sistema. In base alle conoscenze biomediche acquisite in questi anni di studio, si è pensato di sviluppare un nuovo prototipo di trocar drop-free, ispirato alle valvole cardiache, che sono infatti in grado di aprirsi con minimo sforzo, a seguito di un gradiente pressorio ai loro capi in unica direzione. Tale idea ha portato allo sviluppo di modelli analitici, considerando il sistema vitreo-trocar dotato di microvalvola monodirezionale, i quali hanno fornito dei risultati convalidanti la proposta progettuale. In base a tali risultati è stata sviluppata una modellistica agli elementi finiti di diverse tipologie di trocar dodati di microvalvole. Le tipologie analizzate sono suddivisibili in tre classi principali: 1) una di ispirazione prettamente biologica; 2) una basata sul blocco totale del flusso di umor vitreo; 3) una di tipo wearable. La prima tipologia prevede una microcannula dotata di microvalvola a struttura tricuspide o quadricuspide, singola o doppia. In quest’ultimo caso è stato previsto il loro posizionamento o accoppiato o distanziate tra di loro nel microtubo.L’analisi di queste tipologie ha evidenziato che i migliori risultati si ottengono nel caso di singola valvola posta in punta alla microcannula, con entrambe le geometrie. Infatti la riduzione di flusso di umor vitreo risulta in entrambi i casi superiore al 90%. La seconda tipologia prevede sistemi di valvole doppie accoppiate e complementari nella loro geometria tridimensionale, che garantiscono un completo blocco del flusso di umor vitreo, mostrando in un caso particolare anche la facilità di immisione degli strumenti chirurgici senza esercitare sforzi superiori al carico di rottura del materiale del trocar. La terza tipologia prevede lo sviluppo di sistemi microvalvolati che possano essere applicati ai trocar attualmente disponibili in commercio. L’analisi di questi sistemi ha evidenziato la loro efficacia sia a livello di riduzione del flusso di vitreo in uscita sia a livello strutturale. In base ai risultati ottenuti in questa fase, si è passati alla realizzazione di alcune tra le tipologie di microvalvole che rispecchiavano i requisiti desiderati. La scelta del materiale è stata dettata sia dalla tipologia di valvola da realizzare che dalla tecnica di microfabbricazione necessaria alla sua realizzazione. Le dimensioni micrometriche del trocar da sviluppare (450 μm di diametro interno per 75 μm di spessore) richiede l’utilizzo di una tecnica con risoluzioni dell’ordine della decina di micrometri. Per tale motivo le microvalvole sono state realizzate tramite la metodologia del micromolding, mentre la microcannula tramite un sistema di deeping utilizzando un capillare in vetro silanizzato. Il materiale prescelto per la fabbricazione del trocar è stato un elastomero biocompatibile, il polidimetilsilossano. Per la realizzazione delle microvalvole, il protocollo del micromolding è stato opportunamente modificato in modo da ottenere spessori intorno ai 250 μm. Anche i microtubi sono stati realizzati in polidimetilsilossano ed in seguito sono stati assemblati con le microvalvole tramite una tecnica di micro-incollaggio eseguita sotto microscopio con un sistema di micromanipolazione, usando come collante nanogocce dell’elastomero selezionato. Il dispositivo, pur essendo inizialmente composto da due parti separavate, grazie alle buone proprietà di sealing del polidimetilsilossano, ha permesso di ottenere un sistema unico e compatto. L’ultima fase di questo lavoro di tesi ha previsto la convalida con test in-vivo condotti su vitreo di coniglio, rispettando le normative vigenti in ambito di sperimentazione animale. I test hanno permesso di evidenziare che la nuova tipologia di trocar sviluppati, riducono notevolmente o bloccano l’emissione di vitreo sia in seguito alla loro applicazione, ma anche in seguito alla introduzione reiterata degli strumenti chirurgici. Questo conferma la rispondenza con i requisiti di progetto del trocar drop-free sviluppato in questo lavoro di tesi. Il dispositivo qui realizzato, è semplicemente un prototipo iniziale, che presenta ampi margini di miglioramento, sia per la scelta del materiale che della metodica microfabbricativa e di assemblaggio. Inoltre, le metodiche realizzative qui sviluppate, dovranno essere ottimizzate nell’ottica di una futura industrializzazione e commercializzazione del trocar drop-free. Tuttavia, i buoni risultati ottenuti con questo dispositivo lo pongono all’avanguardia tra i trocar attualmente utilizzati e disponibili in commercio