Design e scelta dei materiali di un nuovo dispositivo per il trattamento paziente-specifico del Pectus Excavatum

Il Pectus Excavatum (PE) è una deformazione della parete toracica, che consiste in una depressione della parte anteriore del torace dovuta alla deviazione dello sterno, delle coste e delle cartilagini, dalla terza alla settima. Il PE rappresenta circa il 90% di casi di deformità del torace. Attualmente la procedura standard per il trattamento del PE è la procedura Nuss, un intervento minimamente invasivo che corregge il PE tramite l’inserimento di una barra metallica in posizione retrosternale fissata tramite stabilizzatori. La barra viene lasciata in situ per circa 3 anni, per rendere la correzione definitiva. Nonostante la procedura Nuss sia considerata sicura e tecnicamente semplice, essa comporta alcune problematiche. Alcuni svantaggi sono legati alla necessità di una seconda operazione per la rimozione della barra, intorno alla quale, durante i tre anni in sede, si forma del tessuto fibrotico, a causa della reazione dei tessuti all’impianto. E’ stata anche osservata la formazione di tessuto osseo attorno alle estremità e agli stabilizzatori, per cui l’operazione di rimozione presenta in certi casi delle complicazioni. In questi casi è necessario andare ad eliminare prima la formazione ossea e poi procedere con la normale operazione, con un allungamento notevole dei tempi di rimozione. In letteratura sono documentati casi in cui aderenze tra pericardio ed impianto hanno determinato la lacerazione dei tessuti o dei vasi sanguigni con conseguenze letali per il paziente. L’obiettivo di questo lavoro di tesi è quello di progettare un nuovo dispositivo per il trattamento del PE, con il quale si possa ridurre l’impatto della seconda operazione, semplificando l’estrazione della barra. Il nuovo dispositivo sarà costituito esternamente da una matrice polimerica biodegradabile, che andrà a contatto con i tessuti e rimarrà in situ fino a completa degradazione, e internamente da una serie di strutture metalliche facilmente estraibili a termine del periodo necessario alla correzione, che conferiranno al dispositivo le proprietà meccaniche richieste dall’applicazione. Il dispositivo sarà costituito dalla barra e dagli stabilizzatori, necessari per evitare la dislocazione della barra, problema che ricorre nel 5% dei pazienti sottoposti a procedura Nuss. A questo si aggiunge una progettazione della barra paziente-specifico, al fine di avere un dispositivo che si adatti perfettamente alle caratteristiche del paziente, consentendo di aumentare l’accuratezza dell’impianto, l’efficienza durante l’operazione e di dare al medico la possibilità di scegliere il profilo della barra per correggere al meglio la deformazione del torace. Il primo passo è stato quello di scegliere i materiali metallici e polimerici adatti all’applicazione, tra quelli già utilizzati in applicazioni ortopediche. Il secondo passo è consistito nel testare i materiali polimerici processabili nel nostro laboratorio per ottenerne le caratteristiche meccaniche. Il dispositivo composito è stato disegnato tramite CAD e importato in Ansys Workbench per realizzare una serie di simulazioni meccaniche FEM. Diversi design, materiali e condizioni di lavoro sono stati simulati per verificare che il dispositivo fosse in grado di sollevare lo sterno senza cedere strutturalmente. Parallelamente è stato realizzato un algoritmo semi-automatico in Matlab che dalle immagini CT e RM del paziente, sceglie la slice corrispondente alla massima depressione dello sterno. Su questa slice è stato possibile scegliere il profilo della barra ed estrudere una barra paziente-specifico. La barra è stata importata in Solidworks e successivamente in Ansys per la verifica strutturale, dimostrando la possibilità di ottenere una barra di Nusspaziente-specifico, composita e rimuovibile in modo minimamente invasivo al termine del trattamento