Material selection for a 3D-printed tissue-equivalent cost-effective phantom for radiotherapy quality assurance

La radioterapia è uno strumento potente per il trattamento del cancro, che utilizza fasci ad alta energia per distruggere i tumori salvaguardando al contempo i tessuti sani circostanti. Poiché questi fasci sono invisibili e i loro effetti sono misurati in minuscole frazioni di energia, i medici si affidano a controlli rigorosi prima di trattare un paziente. Utilizzano modelli, chiamati fantocci, per simulare come il corpo di un paziente specifico assorbirà le radiazioni. Tradizionalmente, questi modelli sono realizzati con blocchi standard di plastica che hanno l'aspetto di un corpo umano generico. Sebbene siano affidabili, questi blocchi standard non possono catturare la forma unica di un singolo paziente o il complesso mix di tessuti al suo interno. Per risolvere questo problema, gli scienziati si sono rivolti alla stampa 3D, una tecnologia che costruisce oggetti strato dopo strato, per creare modelli personalizzati che corrispondano all'esatta anatomia del paziente. Tuttavia, rimane un ostacolo importante: la plastica utilizzata nelle stampanti 3D non si comporta naturalmente come la carne umana quando colpita dalle radiazioni. Se la plastica assorbe troppa o troppa poca energia rispetto al tessuto reale, i controlli di sicurezza saranno errati, portando potenzialmente a piani di trattamento incorretti.

Un team di ricercatori si è posto l'obiettivo di risolvere questo problema individuando i materiali giusti per questi modelli personalizzati stampati in 3D. Dovevano identificare plastiche che imitassero il tessuto molle umano non solo nell'aspetto, ma anche nel modo in cui interagiscono con le radiazioni a due livelli di energia molto diversi. Il primo livello è quello a bassa energia utilizzato per l'imaging medico, come una normale TAC, che crea la mappa del corpo del paziente. Il secondo è quello ad alta energia utilizzato per il trattamento effettivo del cancro, che penetra in profondità nel corpo. I ricercatori volevano sapere se fosse possibile stampare un modello che apparisse corretto in una scansione e che consegnasse la dose correza di radiazioni durante il trattamento, il tutto mantenendo i costi abbastanza bassi da consentire l'uso regolare negli ospedali.

Per trovare la risposta, il team ha creato oltre sessanta piccoli cubi di plastica, rappresentanti circa trenta diversi tipi di materiali comunemente usati nella stampa 3D. Hanno utilizzato tre diverse macchine da stampa: due che fondono e stendono sottili filamenti di plastica, e una che polimerizza resina liquida tramite luce. Hanno stampato alcuni cubi completamente pieni e altri con varie quantità di spazio vuoto all'interno, una caratteristica nota come densità di riempimento (infill), per vedere se potevano regolare le proprietà del materiale. Dopo la stampa, hanno scansionato ogni cubo con una TAC clinica per misurare come il materiale appariva nell'immagine, valore registrato come Unità Hounsfield. Hanno anche pesato i cubi per determinare la loro massa e hanno calcolato quanti elettroni fossero contenuti in ciascuno, un fattore critico per il modo in cui le radiazioni viaggiano attraverso la materia. Infine, hanno testato come i materiali si comportavano sotto i fasci ad alta energia utilizzati nell'effettivo trattamento del cancro, posizionando un piccolo sensore all'interno di un foro al centro di cubi più grandi e misurando l'energia depositata.

I risultati hanno rivelato che diverse plastiche comuni potevano effettivamente imitare molto da vicino il tessuto molle umano. Quando stampati con una densità al 100%, i materiali mostravano una vasta gamma di proprietà. Alcune plastiche apparivano molto scure nella TAC, simili al grasso, mentre altre apparivano luminose, somigliando a organi più densi. La densità di massa di questi cubi pieni variava da leggermente inferiore all'acqua a circa il venti per cento più pesante. Fondamentalmente, quando i ricercatori hanno testato questi materiali sotto i fasci ad alta energia utilizzati nel trattamento del cancro, la quantità di radiazioni assorbite corrispondeva quasi perfettamente alle previsioni del computer. La differenza tra ciò che le macchine prevedevano e ciò che i sensori misuravano era minima, non superando mai circa un terzo di un punto percentuale. Questo livello di accordo suggerisce che questi materiali stampati si comportano quasi esattamente come l'acqua, che è lo standard di riferimento per il tessuto umano nella radioterapia.

Lo studio ha anche scoperto che cambiare la quantità di spazio vuoto all'interno degli oggetti stampati permetteva ai ricercatori di perfezionare ulteriormente i materiali. Regolando la densità di riempimento dal dieci al novanta per cento, potevano spostare le proprietà di un singolo tipo di plastica per coprire un vasto spettro. Ad esempio, una plastica che era troppo densa per imitare il grasso quando solida poteva essere stampata con ampi spazi per imitare la bassa densità dei polmoni pieni d'aria. Questa flessibilità significava che un singolo materiale poteva essere usato per rappresentare diverse parti del corpo semplicemente cambiando le impostazioni di stampa. I ricercatori hanno scoperto che combinazioni specifiche di tipo di plastica e densità di riempimento potevano corrispondere strettamente alle proprietà radiologiche di specifici tessuti umani, come il fegato, il cuore o il tessuto mammario.

Sebbene i risultati siano promettenti, i ricercatori hanno notato alcune limitazioni. La macchina di fascia alta che utilizzava resina liquida produceva ottimi risultati, ma era significativamente più costosa delle macchine che utilizzavano filamenti di plastica. Inoltre, i campioni di resina liquida mostravano alcuni segni di deformazione dopo essere stati conservati per diversi mesi, mentre i campioni di filamento plastico rimanevano stabili. Lo studio si è concentrato solo sui tessuti molli, lasciando aperta la sfida di trovare materiali che imitino l'osso per lavori futuri. Nonostante queste avvertenze, la ricerca dimostra che è possibile creare modelli personalizzati per la sicurezza della radioterapia che siano anche convenienti. Selezionando la plastica giusta e regolando la struttura interna, gli ospedali possono produrre fantocci che siano sia accessibili che accurati, garantendo che le dosi di radiazioni somministrate ai pazienti siano sicure e precise.