La simulazione è ormai indispensabile per progettare e produrre nuovi farmaci, per individuare i migliori processi terapeutici, per costruire macchinari e dispositivi medici-diagnostici, per realizzare protesi. Ma per farlo nel modo più efficiente occorre una logica multifisica, che possa mettere a fattor comune variabili strutturali-meccaniche, elettromagnetiche, chimiche, fluidodinamiche e microfluidiche. In altre parole, la nuova frontiera tecnologica del pharma e del biotech è la simulazione integrata di tutte le variabili fisiche. E’ questa la funzione di Comsol Multiphysics, la piattaforma software per la creazione di modelli basati sulla multifisica sviluppato dalla multinazionale svedese Comsol, tra i leader nel settore del software industriale. In questo articolo ne parliamo a proposito dell’ambito medico-farmaceutico, ma Comsol Multiphysics trova applicazione in tutti i settori industriali. L’ambiente software Comsol Multiphysics include tre componenti: il Model Builder, l’Application Builder e il Model Manager.
Il primo contiene tutte le funzionalità e le operazioni per la costruzione, la visualizzazione e la valutazione dei modelli. Il secondo offre gli strumenti necessari per lo sviluppo di app. Il terzo è lo spazio di lavoro per la gestione di modelli e app. I moduli aggiuntivi del software offrono inoltre funzionalità specifiche per elettromagnetismo, meccanica strutturale, acustica, fluidodinamica, trasferimento di calore e ingegneria chimica. Bio-tecnologie, bio-ingegneria e farmaceutico, un campo di applicazione vastissimo, che riguarda sia la simulazione di prodotto che di processo. «All’interno di questa galassia applicativa, con la modellazione e simulazione multifisica si possono studiare e analizzare tutta una serie di fenomeni con un’accuratezza e precisione una volta inimmaginabili», afferma Daniele Panfiglio, managing director di Comsol Italia. Il punto di partenza è sempre lo stesso: affrontare la simulazione attraverso un paradigma what if, che permette di capire come tutte le variabili associate allo sviluppo prodotto o processo interagiscono tra loro, per poi trovare la soluzione ottimale in riferimento agli obiettivi che si vogliono raggiungere. «In tutti questi ambiti applicativi non esiste prodotto o processo che possa essere realizzato senza simulazione», dice Panfiglio.
La peculiarità di Comsol Multiphysics è riuscire a studiare differenti fenomeni all’interno di un unico ambiente software. Per quanto riguarda il pharma, il software può servire ad esempio per definire e individuare la composizione corretta per la miscelazione delle diverse sostanze. E nelle biotecnologie per fare simulazione di apparati e sistemi di radio o termoterapia. O ancora, su scala industriale, lo si può impiegare per l’ottimizzazione di una macchina per la tomografia, quindi tac e risonanza magnetica. E ancora, come nel caso di Stmicroelectronics, per la progettazione di dispositivi medici indossabili, oppure, come testimoniano le esperienze di Amgen e Polibrixia, per la produzione di dispositivi autoiniettori e per la realizzazione di maschere facciali per aerosol, in cui entrano in gioco la meccanica strutturale per comprendere la pressione con cui la maschera va applicata al volto e la fludodinamica per ottimizzare la composizione della miscelazione dell’aerosol. Ecco le riflessioni emerse dall’incontro di Industria Italiana con il country manager di Comsol Italia, temi che verranno affrontati durante il Comsol Day del 16 maggio, evento online dedicato al biotech & pharma. «L’appuntamento si concentrerà sulle applicazioni di simulazione e sull’uso di Comsol Multiphysics nella tecnologia medica, nel life science e nella progettazione di dispositivi medici. Attraverso una serie di presentazioni tecniche, i partecipanti scopriranno come il software viene utilizzato per progettare dispositivi biotech e comprendere i fenomeni fisici alla base di questi dispositivi», dice Panfiglio.
Simulazione multifisica di prodotto e di processo per biotecnologia e biomedica
Validazione delle pompe del sangue, applicazioni dell’elettromagnetismo nelle tecnologie biomedicali, ultrasuoni e apparecchi acustici nelle tecnologie biomedicali, sensori e test biochimici, riscaldamento biologico dei tessuti, microfluidica e separazione nelle tecnologie biomedicali. «Modellazione e simulazione vengono utilizzate da decenni per le applicazioni biotecnologiche e continuano a conquistare terreno nel settore grazie all’ulteriore avanzamento delle tecnologie, come i dispositivi intelligenti in grado di monitorare vari aspetti della salute dell’utente», dice Panfiglio. Comsol Multiphysics serve, per esempio, a capire gli effetti che una determinata sostanza o terapia può avere sul corpo umano. Per il trattamento dei tumori, il software può rappresentare un valido aiuto per comprendere il bioheat, il calore che viene trasferito sulla parte da trattare: capire quanto le onde elettromagnetiche si diffondono all’interno del corpo umano in modo da contenere il trattamento sulla più piccola area di intervento.
«I risultati sono tanto più affidabili quanto più alta è la correlazione tra i parametri fisici esaminati, afferma Panfiglio. Una vera simulazione multidirezionale permette di comprendere il fenomeno che si osserva, e di conseguenza, modificare le condizioni per ottenere prodotti e processi più affidabili e sicuri». Simulazione che dalla progettazione può essere estesa alla produzione, migliorando i processi in modo continuativo e incrementale. Lo si fa attraverso app dedicate che aiutano anche coloro che non sono esperti di simulazione, a comprendere le condizioni di funzionamento, se si è in presenza di un miglioramento o peggioramento rispetto al modello precedentemente definito. In questo senso viene in aiuto l’intelligenza artificiale, che potrà ottimizzare il processo attraverso un apprendimento algoritmico incrementale. «Umidità, temperatura sono variabili che possono cambiare il risultato di un processo. Vanno, quindi, integrate nel modello matematico. Ma attenzione, la simulazione non può essere sempre in real time. Posso acquisire dati in tempo reale, che serviranno per impostare una simulazione successiva».
Simulazione multifisica a supporto della prototipazione, sviluppo e approvazione del ciclo di vita di un prodotto biotech
Sviluppo biomedico, progettazione e approcci terapeutici più sicuri ed efficaci. La simulazione può anche aiutare a determinare se un trattamento o un dispositivo sta causando danni non intenzionali a un paziente. «E’ per esempio possibile simulare le interazioni tra l’energia e il tessuto corporeo di pacemaker e defibrillatori. Oppure, altro caso, simulare il calore generato durante la risonanza magnetica che, se non ben ponderata, potrebbe danneggiare il tessuto del paziente», spiega Panfiglio. Oltre all’obiettivo primario del benessere del paziente, la simulazione aiuta anche a ridurre la quantità di test preclinici che devono essere eseguiti durante le fasi di prototipazione, sviluppo e approvazione del ciclo di vita di un prodotto.
Come dice Panfiglio, «Per risparmiare sui costi durante il ciclo di sviluppo è possibile introdurre la simulazione per eseguire parte del lavoro più time consuming che comprende test sperimentali e clinici». Altro caso applicativo riguarda l’utilizzo del software Comsol per il trattamento dell’arteriosclerosi, una malattia cardiovascolare in cui un accumulo di placca provoca il restringimento di un’arteria. La soluzione prevede l’inserimento di un minuscolo tubo di rete metallica, chiamato stent, nell’arteria ostruita, la cui espansione aiuta a ripristinare il flusso sanguigno. Ebbene, per eseguire con successo questa operazione e ridurre al minimo i potenziali rischi per la salute, Comsol Multiphysics viene utilizzato per la progettazione degli stent, che deve essere accuratamente valutata attraverso un’analisi e simulazione di meccanica strutturale.
Modellazione e simulazione per lo sviluppo di nuovi farmaci e per il trattamento medico
Immettere sul mercato un nuovo farmaco è un processo estremamente lungo e costoso per le aziende farmaceutiche. Secondo il Taconic Bioscience per un singolo farmaco sono stati necessari circa 2,8 miliardi di dollari e oltre 12 anni per completare il processo di sviluppo nel 2019. Ma con la modellazione e la simulazione questo processo può diventare più rapido ed economico. Il settore farmaceutico e biomedicale ha esigenze molto precise: prodotti, sistemi e attrezzature devono essere sviluppati in tempi sempre più stretti, senza rinunciare a sicurezza ed efficacia e limitando i costi. Simulazione significa anche saper prevedere in modo affidabile come ogni eventuale cambiamento di un parametro influenzerà il processo di produzione, oltre ad aver un impatto su qualità, sostenibilità e resa del farmaco da commercializzare.
«Modellazione e simulazione permettono di acquisire informazioni che altrimenti sarebbero difficili o quasi impossibili da ottenere», dice Panfiglio. Determinare la sicurezza e l’efficacia di un dosaggio, di una corretta miscelazione, stimare le dimensioni del campione appropriate. «La simulazione multifisica rappresenta un aiuto fondamentale per raggiungere questi risultati, aggiunge Panfiglio. Il software consente di effettuare analisi fluidodinamiche, di scambio termico e di trasporto di massa, analizzando tutti gli effetti fisici coinvolti, così da testare le prestazioni sul piano virtuale e ottimizzare i progetti per moltissime applicazioni: analisi ematologiche, mixer, valvole, dispositivi per il rilascio dei farmaci, sistemi di ventilazione per clean room, sensori di glucosio, ma anche dispositivi impiantabili, prodotti per imaging a ultrasuoni, sensori elettrici, valvole piezoelettriche…»
Utilizzo di Comsol Multiphysics: i casi Amgen e Polibrixia per la progettazione di autoiniettori e maschere di ventilazione
Amgen, multinazionale leader della biofarmaceutica, usa la simulazione multifisica nei processi di produzione. Uno degli obiettivi è governare l’incertezza delle variabili. Integrare queste variazioni nella simulazione può infatti portare a risultati predittivi. L’azienda ha per esempio lavorato sullo sviluppo di un autoiniettore, un dispositivo che inietta la medicina in un paziente senza che un medico debba somministrarlo. In questo caso, un aspetto critico è il tempo di rilascio, che deve essere controllato in modo molto preciso affinché il farmaco somministrato funzioni come previsto. Tempo di erogazione che dipende da una serie di fattori, tutti con vari gradi di incertezza, tra cui la geometria del contenitore, la viscosità e il volume del farmaco, le costanti elastiche dell’iniettore e le costanti di attrito dello stantuffo. Ecco, quindi, un tipico caso in cui la simulazione multifisica consente di ottimizzare al meglio l’iniezione (link alla user story).
Nel caso di Polibrixia, società italiana specializzata nella ricerca scientifica applicata e Consulente Certificato Comsol, il software è stato invece utilizzato per progettare le maschere per la ventilazione non invasiva (Niv) che forniscono aria ai pazienti in difficoltà respiratoria tramite la pressione continua delle vie aeree (Cpcap). L’obiettivo? Fornire più dispositivi respiratori nella battaglia globale contro il covid. Per progettare in modo efficace le maschere si sono utilizzate le proprietà multifisiche di Comsol: l’analisi stress-deformazione, per esempio, è stata utile per determinare la resistenza e la durabilità del prodotto (link alla user story).
Stmicroelectronics, simulazione multifisica nella progettazione di prodotti semiconduttori
Per chi produce semiconduttori la scelta del materiale è vitale. È qui che la simulazione gioca un ruolo importante. In Stmicroelectronics la simulazione viene utilizzata per comprendere le interazioni multifisiche in ogni fase del processo di sviluppo prodotto (link alla user story su Industria Italiana). Si possono valutare materiali e strutture più rapidamente, selezionando le migliori. Questo significa meno tempo speso per i test e decisioni tecniche più mirate. Insomma, per Stmicroelectronics la simulazione è uno degli strumenti chiave che indirizzano l’innovazione. Alcuni esempi sono l’ottimizzazione di un reattore epitassiale per accelerare la produzione di wafer, il controllo della distorsione di un flusso reagente nel processo di attacco chimico e lo studio, a livello microscopico, dell’interazione tra la piastrina di silicio e il package nel quale viene inserita.
Nell’ambito biotech è stato inoltre concepito un cerotto per misurare la bioimpedenza di un organo (per esempio il cuore) all’interno del corpo umano. Partendo dalla diagnostica per immagini degli organi umani, i ricercatori hanno creato un modello 3D per effettuare una simulazione ac/dc nel dominio della frequenza e determinare l’effetto della forma e della posizione dell’elettrodo sui parametri fisiologici misurati. I risultati ottenuti dalla simulazione si sono rivelati coerenti con le misure sperimentali e hanno consentito lo sviluppo, in diverse configurazioni, di un cerotto indossabile capace di rilevare cambiamenti fisiologici. Questi sensori permetteranno ai medici di effettuare monitoraggi per diverse malattie cardiache, ottenendo dati in tempo reale, e di offrire le migliori cure ai pazienti grazie alla tecnologia più avanzata.
Comsol in sintesi
Comsol Multiphysics è sinonimo di simulazione. Sviluppato alla fine degli anni Novanta dall’omonima azienda svedese, il software è usato in tutti i settori dell’ingegneria, della produzione e della ricerca scientifica per la modellazione di sistemi multifisici. Serve a comprendere, prevedere, innovare e ottimizzare progetti e processi di sviluppo dei prodotti. Fatturato globale oltre i 100 milioni di dollari, in Italia Comsol vanta più di mille licenze per un totale di oltre 20 mila utenti. Il punto di forza di Comsol Multiphysics è la capacità di modellare fenomeni accoppiati o multifisici. I suoi prodotti aggiuntivi ampliano la piattaforma di simulazione per applicazioni in campo elettrico, meccanico, fluidodinamico e chimico. Le interfacce disponibili consentono di integrare le simulazioni con tutti i principali software di calcolo tecnico e strumenti Cad presenti sul mercato. «A differenza di altre soluzioni disponibili sul mercato, il nostro è un prodotto nativamente multifisico. Tutto l’impianto matematico si basa su un’unica piattaforma che risolve le equazioni di un qualsiasi dominio fisico, dice Panfiglio. Permette di trasferire le informazioni da una fisica all’altra in modo naturale all’interno di una matrice di risoluzioni matematiche. In questo modo si riesce a compiere una simulazione che replica con il più alto grado di approssimazione tutte le variabili che influenzano il funzionamento ottimale del prodotto, riducendo tempo di sviluppo e numero di prototipi».
[Ripubblicazione dell’articolo del 27 marzo 2023]
