Una piattaforma del CNR mira a rendere autonomi i protagonisti dello sviluppo di dispositivi e protocolli diagnostici nella creazione di modelli biomimetici.
Nel lessico dell’innovazione biomedica, l’espressione “valle della morte” descrive il percorso che separa un’enorme mole di idee promettenti, sviluppate in laboratorio, dalla concreta disponibilità di applicazioni cliniche. Nel settore farmaceutico, a fronte di decine di migliaia di articoli scientifici pubblicati ogni anno, pochissime molecole ottengono l’approvazione finale. Una dinamica analoga caratterizza la diagnostica per immagini: molti risultati convincenti nelle fasi preliminari non si traducono in dispositivi, protocolli o algoritmi utilizzabili nella pratica clinica. Ciò accade perché, troppo spesso, il percorso traslazionale non viene avviato affatto: la ricerca traslazionale risulta infatti eccessivamente costosa, normativamente complessa e difficilmente sostenibile. Uno dei principali nodi critici risiede nel ricorso precoce alla sperimentazione animale. Sebbene talvolta inevitabile, l’uso delle cavie costituisce un collo di bottiglia che limita lo sviluppo di un percorso virtuoso, soprattutto quando l’ottimizzazione richiede di vagliare numerose varianti sperimentali.
In questo scenario assumono un ruolo strategico i fantocci anatomici, ossia modelli fisici progettati per simulare l’interazione tra i tessuti biologici e gli agenti fisici impiegati nelle tecniche diagnostiche, come radiazioni ionizzanti e non ionizzanti, campi magnetici o ultrasuoni. Rispetto ai modelli animali, i fantocci offrono vantaggi rilevanti: sono relativamente economici, controllabili, riproducibili e privi delle implicazioni etiche e regolatorie della sperimentazione in vivo. Tuttavia, la loro realizzazione è tutt’altro che semplice. Riprodurre in un sistema artificiale la complessità del tessuto biologico — considerando morfologia, composizione e proprietà meccaniche, ottiche, acustiche o elettromagnetiche — costituisce una sfida tecnica significativa. Le difficoltà si amplificano ulteriormente nei protocolli multimodali, in cui il medesimo campione deve rispondere in modo coerente a più sollecitazioni fisiche. Questo aspetto è particolarmente critico, poiché la multimodalità e l’integrazione di dati eterogenei rappresentano oggi una delle frontiere più avanzate della ricerca biomedica, nonché uno degli ambiti di maggiore interesse per l’applicazione dell’intelligenza artificiale alla diagnostica.
Emerge inoltre con chiarezza che non è sufficiente garantire la qualità dei fantocci: per favorirne una reale diffusione nella ricerca traslazionale è necessario che la loro fabbricazione sia il più possibile frugale. In questo contesto, “frugale” non equivale a povero o rudimentale, ma descrive sistemi progettati per essere replicabili con qualità, in sicurezza e con risorse limitate, utilizzando strumentazioni essenziali e procedure accessibili anche a laboratori privi di competenze avanzate in ingegneria dei materiali. Questa distinzione è cruciale. In un ambito caratterizzato da un’enorme variabilità di possibili verticali — determinate dalle combinazioni di agenti fisici, distretti anatomici, scale di risoluzione e condizioni fisiopatologiche — un catalogo statico di oggetti pronti all’uso difficilmente può rispondere alle esigenze specifiche dei laboratori coinvolti nella ricerca diagnostica. Al contrario, se il fantoccio viene ripensato come una piattaforma tecnologica direttamente gestibile dai laboratori, capace di generare modelli personalizzati e coerenti con necessità intrinsecamente particolari, esso può evolvere in una vera infrastruttura abilitante per l’innovazione.
Un’analisi sistematica della letteratura recente sui fantocci fisici nell’imaging biomedico — condotta sugli ultimi dieci anni con il supporto di Copilot e limitata a studi sperimentali originali in open access — offre indicazioni illuminanti. Classificando un campione casuale di oltre cinquanta lavori in tre categorie (fantocci commerciali, autocostruiti semplici e autocostruiti complessi), emerge che i modelli commerciali rappresentano meno del 4% dei casi. Progettati prevalentemente per attività di controllo qualità, calibrazione e training, risultano infatti marginali nella ricerca traslazionale. La maggioranza degli studi si basa invece su sistemi sviluppati internamente ai laboratori che conducono la ricerca diagnostica. I fantocci autocostruiti semplici, basati su materiali omogenei, costituiscono circa il 45% dei casi, mentre quelli più complessi, realizzati con materiali compositi, raggiungono il 51%. Ne deriva un quadro polarizzato: da un lato modelli elementari, adatti a test di base; dall’altro sistemi sofisticati e multimateriale, spesso difficili da standardizzare e replicare.
È proprio nello spazio tra questi due estremi che si colloca una proposta sviluppata presso il CNR da un gruppo guidato da Fulvio Ratto e Lucia Cavigli. Si tratta di una piattaforma modulare e sostenibile di materiali, progettata per riprodurre il tessuto biologico secondo un approccio bottom-up. L’idea si fonda su un’emulsione costituita da una fase continua elastomerica, che richiama la matrice extracellulare, e da una fase discreta composta da microparticelle di gel, che mimano la componente cellulare. L’impiego di materiali come il PDMS e l’agarosio, ampiamente diffusi in ambito scientifico, assicura stabilità, versatilità e compatibilità con l’integrazione di diversi agenti di contrasto. Il risultato è una piattaforma in cui le proprietà geometriche e fisiche possono essere regolate in modo mirato, in funzione del tessuto da simulare, secondo una logica componibile, scalabile e adattabile.
La maturità di questo approccio è dimostrata da due verticali sviluppati nell’ambito di altrettanti progetti nazionali finanziati dal MUR. Nel progetto PRIN 2022 ALPHA, la piattaforma è stata utilizzata per realizzare un fantoccio polmonare dinamico destinato a indagini ottiche, risonanza magnetica e tomografia computerizzata, esplorando strutture spugnose e stampi anatomici in collaborazione con l’Università di Firenze e il Politecnico di Milano. Nel progetto PRIN PNRR IMPACT AI, l’obiettivo è stato invece lo sviluppo di un fantoccio cutaneo per imaging fotoacustico, una tecnica ibrida che combina fenomeni ottici, acustici e termodinamici. La collaborazione con i Politecnici di Bari e Torino ha consentito di testare materiali stratificati e strutture vascolari complesse. Pur riferendosi a contesti differenti, queste esperienze condividono una visione comune: non offrire un prodotto finito, ma sviluppare una tecnologia standardizzabile e trasferibile, implementabile direttamente nei laboratori in cui nascono le innovazioni diagnostiche.
In prospettiva, la direzione appare chiara: trasformare queste piattaforme di materiali in uno standard aperto, capace di accelerare la ricerca traslazionale. I pilastri di questa visione comprendono un approccio ispirato ai principi dell’open science e una collaborazione continua con i laboratori diagnostici, affinché possano acquisire metodologie sostenibili e autonomamente gestibili per la produzione dei propri fantocci. Se efficace, questa strategia potrà contribuire a ridurre il ricorso precoce alla sperimentazione animale e a rendere l’innovazione nell’imaging biomedico più accessibile e rapida. L’obiettivo ultimo è contribuire a colmare la “valle della morte”, favorendo il passaggio dalla ricerca di laboratorio alla pratica clinica e promuovendo un impatto concreto sulla salute dei pazienti.
L’approfondimento, presentato a LAB Italia 2026, è a cura del dott. Fulvio Ratto, ricercatore dell’IFAC‑CNR
