L'Università di Perugia crea materiali per la stampa 3D a uso odontoiatrico con Artec Micro II

Uno studente dell'Università di Perugia scansiona in 3D un impianto con Micro II. Immagine per gentile concessione dell'Università degli Studi di Perugia

Il settore dentale sta assistendo a un'impennata delluso della stampa 3D. Questa tecnologia consente a un numero crescente di dentisti di creare rapidamente impianti personalizzati nelle cliniche di tutto il mondo.

Quando si devono personalizzare impianti come capsule, ponti, guide e allineatori, la stampa 3D è più veloce, più accurata e (a lungo termine) meno costosa dei calchi tradizionali. Ma ci sono degli svantaggi, soprattutto per quanto riguarda la compatibilità dei materiali.

I materiali di stampa 3D non solo devono essere idonei per essere utilizzati insieme a determinate tecnologie, ma devono anche essere testati per verificarne la durata, l'estetica, il restringimento e la sicurezza per i pazienti. Al momento, questi problemi limitano la varietà di scelta facendo spesso preferire ai dentisti esperti i metodi più vecchi e collaudati.

Ottenere nuove resine utilizzabili in odontoiatria richiede una grande quantità di ricerca. A questo scopo, spesso ci si concentra sull'analisi della precisione geometrica, ma anche le dimensioni e la velocità di stampa possono essere una sfida seria. Quindi, com'è possibile digitalizzare e testare rapidamente e ripetutamente piccoli impianti stampati in 3D?

Per affrontare questo problema, in Italia è stata istituita un'iniziativa di ricerca collaborativa a livello nazionale, che coinvolge la Scuola Odontoiatrica dell'Università di Torino, il Politecnico di Torino, l'Università di Catania e l'Università di Perugia. Sempre alla ricerca di nuovi modi per automatizzare la metrologia presso il loro Smart Manufacturing Laboratory, questi ultimi hanno appena ottenuto lo scanner 3D da scrivania Artec Micro II. A quanto pare, questo progetto ha offerto l'opportunità perfetta per testare le loro idee su prodotti reali realizzati da un produttore di impianti dentali, in un modo che potrebbe favorire una più ampia adozione della stampa 3D e migliorare l'esperienza del paziente.

Digitalizzazione impianti dentali per l'ispezione

Lo Smart Manufacturing Laboratory dell'Università di Perugia è stato aperto un paio di anni fa. Il capo del laboratorio, il professore associato Nicola Senin, che ha recentemente inaugurato la sua divisione di metrologia, afferma che uno degli obiettivi principali del laboratorio è "rendere intelligenti i sistemi di misurazione" (attraverso una maggiore automazione robotica, integrazione AI e sviluppo software interno) e investire in Micro II ha permesso loro di espandersi ulteriormente nel campo della misurazione ottica.

Scansione 3D di un dente catturato con Artec Micro II. Immagine per gentile concessione dell'Università degli Studi di Perugia

Il team ha acquistato il proprio scanner 3D da 3DZ, un rivenditore autorizzato dei più prestigiosi marchi di stampa 3D e partner di lunga data di Artec 3D. Con 15 uffici in tutta Europa, 3DZ è un consulente di fiducia che supporta le aziende nell'identificare le tecnologie 3D che meglio si adattano alle loro esigenze specifiche. Dopo aver analizzato attentamente i requisiti richiesti dall'Università di Perugia, 3DZ ha consigliato Artec Micro II, soprattutto per la sua eccezionale precisione e facilità d'uso.

Inizialmente, i membri del laboratorio hanno utilizzato la tecnologia a loro disposizione per misurare impianti dalle complesse geometrie stampati in 3D. Micro II ha permesso loro di verificarne l'accuratezza e vedere se le stampe erano deformate o piegate. Questi sono problemi importanti quando si creano impianti dentali, poiché i difetti portano a crepe e le crepe causano rotture. Con il progredire della loro ricerca, hanno iniziato a cercare un caso d'uso più pratico, e questo è culminato in un progetto dedicato alla stampa 3D e ai gemelli digitali per la riparazione di protesi odontoiatriche.

Sostenuta dal Ministero dell'Università e della Ricerca, l'iniziativa "3DCer4Dent" è guidata dall'Università di Perugia, in particolare dalla professoressa associata Elisabetta Zanetti (bioingegneria industriale) e dalla ricercatrice Giulia Pascoletti (metodi di progettazione). Presso lo Smart Manufacturing Laboratory dell'università i ricercatori hanno iniziato a scansionare in 3D capsule progettate da un produttore di impianti dentali e Micro II si è dimostrato ideale per questo lavoro.

Un dente montato su un morsetto, pronto per la scansione 3D con Micro II. Immagine per gentile concessione dell'Università degli Studi di Perugia

Ogni scansione richiede solo pochi minuti, e la piattaforma automatizzata del dispositivo svolge gran parte del lavoro. In alcuni casi precedenti, utilizzavano anche raggi X e tomografia ottica per ulteriori controlli. Ma in questa applicazione Micro II ha dimostrato di poter acquisire da solo dati sufficienti per risultati definitivi, con chiare variazioni identificate tra due diverse ceramiche dentali. Sul lungo periodo, ulteriori attività di ricerca potrebbero portare a una migliore assistenza ai pazienti, come spiega Zanetti.

"I dentisti lavorano con resine che subiscono restringimenti significativi. Non è così ovvio quale fattore di scala sia meglio utilizzare: è per risolvere questo problema che ci siamo rivolti a Micro II ", ha affermato. "La parte più critica è l'interazione tra la capsula e la parte rimanente del dente. Non c'è cemento [dentale] e se l'impianto non è congruente i batteri possono proliferare, facendolo fallire l'applicazione".

Analizzare nuovi materiali per la stampa 3D

Sorprendentemente, la maggior parte del flusso di lavoro dei ricercatori si svolge all'interno di Artec Studio. Il software di scansione ed elaborazione dati 3D ha tutti gli strumenti necessari per trasformare le nuvole di punti in mesh altamente dettagliate, pronte per l'analisi e l'esportazione nei tipi di file più diffusi per la produzione.

In questo caso, il team ha scoperto di riuscire a scansionare un lato di un impianto, ruotarlo di 180 gradi, scansionarne l'altra metà e fondere rapidamente i dati risultanti utilizzando l'allineamento punto a punto. Modificare le impostazioni consente loro anche di sintonizzare i parametri di fusione per ottenere la massima risoluzione, essenziale per un'analisi dettagliata della superficie, e anche questa operazione si svolge all'interno di Artec Studio.

Secondo Pascoletti, "un materiale si è rivelato migliore dell'altro, dato che sono state riscontrate deviazioni minori rispetto ai valori del 90 percentile". Rispetto a quando hanno iniziato la loro ricerca, quando il team stava ancora lavorando con scanner dentale tradizionale e altri tipi di scanner 3D, Micro II ha "mostrato importanti differenze di precisione". In effetti, è proprio per questo vantaggio che sono stati in grado di passare ai test sperimentali.

Un file STL sovrapposto a una mesh ricostruita all'interno di Artec Studio. Immagine per gentile concessione dell'Università degli Studi di Perugia

Per un'analisi statistica più approfondita, il team dell'Università di Perugia utilizza anche software come Cloud Compare e MATLAB. Queste piattaforme consentono agli utenti di calcolare facilmente la differenza tra superfici curve e di elaborare i numeri durante l'analisi di set di dati complessi. Ma il risultato è questo: un materiale ha nettamente superato l'altro. Il loro approccio si è dimostrato valido.

Potenziale in ambito odontoiatrico, medico e non solo

Dopo il loro successo iniziale, il team ora prevede di testare almeno altri due materiali in zirconio. Ma i loro sforzi non si limitano solo al settore dentale, vedono anche il potenziale per l'analisi basata sulla scansione 3D nella personalizzazione degli impianti medici e nella stampa 3D di componenti satellitari.

Oltre a stabilire altre partnership tra pubblico e privato, i ricercatori intendono continuare il loro lavoro su algoritmi che migliorano la metrologia. Tra questi troviamo la generazione automatica del punto di vista, un flusso di lavoro in cui viene calcolato il numero minimo di scansioni necessarie per ciascuna posizione, con i modelli risultanti inviati direttamente alla produzione. Qualunque sia la direzione intrapresa, Micro II sarà al centro dei piani di questi ricercatori. Senin afferma che il dispositivo ha davanti a sé un brillante futuro sia nell'iterazione del design che nell'ispezione.

"Molti materiali metallici, ceramici e polimerici potrebbero essere misurati da Micro II", ha concluso Senin. "Ad esempio, stiamo anche iniziando a misurare piccoli componenti realizzati con materiali altamente ingegnerizzati per i satelliti. Finora non abbiamo ottimizzato questo processo, e non stiamo parlando di un'astronave. Ma Micro II ci consente di tracciare i cambiamenti della geometria a diverse temperature come istituto di ricerca a livello di prototipo".

Nelle mani dei ricercatori dell'Università di Perugia, Micro II sta contribuendo a sbloccare il potenziale della stampa 3D in campo medico, dentistico e non solo. Chissà dove altro potrebbe tornare utile un'ispezione dalla precisione di 5 micron? Chiaramente, vale la pena tenere d'occhio la ricerca di questo team.

Il suddetto progetto di ricerca "3D printing and digital twinning ceramic restorations for dentistry" (3DCer4Dent) è stato realizzato con il finanziamento del Ministero dell'Università e della Ricerca italiano (come iniziativa PRIN) con il sostegno di Next Generation EU (J53D23012190).

Chi desidera maggiori informazioni può contattare direttamente la Prof.ssa Elisabetta Zanetti all'indirizzo elisabetta.zanetti@unipg.it.