La sanità del futuro tra polimeri funzionalizzati e cliniche ospedaliere evolute in siti produttivi. Nuovi scenari grazie alla stampa 3D e alla formulazione di composti polimerici specializzati, unendo competenze ingegneristiche, chimiche e biomediche.

Il rapporto tra sanità e industria, negli ultimi tempi, è diventato sempre più stretto, sia in termini di rafforzamento della collaborazione tecnico-scientifica, sia di condivisione di scenari alternativi al classico rapporto cliente-fornitore. Sono frequenti, infatti, i collegamenti tra material scientist/fablab/tecnology provider per forniture dirette di materiali, soprattutto polimeri, che possono rispondere a utili requisiti prestazionali nelle più svariate applicazioni che vanno, ad esempio, dalle protesi esterne agli esoscheletri. fino alla nuova frontiera della medicina rigenerativa e dell'ingegneria dei tessuti che mirano a riparare, rigenerare e riprodurre tessuti e organi danneggiati.

Inoltre, la possibilità di affrontare queste produzioni in un'ottica a misura di paziente grazie all'avvento della stampa 3D rende la clinica ospedaliera anche il luogo di produzione di prodotti personalizzati per la specifica applicazione. È noto, infatti, che partendo dalle radiografie o dalle TAC dei pazienti è possibile convertire questi referti in dati di input per macchine da stampa 3D, che alimentate da un apposito polimero sono in grado di riprodurre l'oggetto in tre dimensioni. A questo punto è la stessa clinica ospedaliera che necessita di materiale di consumo per le sue stampanti 3D, richiedendo polimeri con particolari funzioni che possono essere forniti come microproduzioni da aziende specializzate. Lo scenario è quindi delineato. Gli operatori sanitari saranno sempre più incentivati ​​ad avvalersi di personale altamente qualificato nella Scienza dei Polimeri e delle Apparecchiature su scala di laboratorio che, vista la dimensione media delle produzioni (lotti fino a 500g), potrebbe portare alcuni reparti ospedalieri a configurarsi come "produzione qualificata in loco".

I polimeri che possono essere candidati come materie prime per processi di stampa 3D di prodotti realizzati direttamente in clinica possono essere suddivisi in due macro categorie, a seconda che si tratti di prodotti che devono essere riassorbiti nel corpo umano o rimanere durevoli.

Esistono infatti polimeri termoplastici cosiddetti bioassorbibili, che hanno proprietà di biodegradazione specifiche dell'ambiente in cui possono essere impiantati, e polimeri termoplastici biocompatibili che possono invece resistere anche in ambienti severi come quelli a contatto con il plasma sanguigno senza degradarsi. Tutti questi polimeri termoplastici a loro volta, grazie alla tecnologia del melt compounding, cioè dell'additivo nel fuso del polimero, possono essere funzionalizzati per ottenere caratteristiche di antimicrobici, radiopacità, elettroconduttività, termoconduttività, stimolazione della crescita cellulare. Piccoli estrusori che imitano in tutto e per tutto gli estrusori industriali, situati anche in laboratorio, sono in grado di produrre piccoli lotti di compound polimerici termoplastici con queste caratteristiche.

Alcuni esempi di polimeri termoplastici biocompatibili e bioassorbibili che possono essere utilizzati anche in estrusione e quindi compounding possono essere Policaprolattone (PCL), PLA (acido polilattico), PLG (copolimero lattide e acido glicolico), PDS (Polidiossanone).

Tra i polimeri permanenti biocompatibili possiamo invece annoverare TPU (Poliuretano Termoplastico), PE (Polietilene prodotto a varie densità), PC (policarbonato), PMMA (Polimetilmetacrilato).

Affinché le cure mediche siano sempre più specifiche per il paziente, la stampa 3D insieme alla possibilità di generare materiali polimerici su misura, cioè personalizzati in base a requisiti specifici, sono un'ottima risposta. In particolare, l'attenzione è rivolta alla produzione di granuli e filamenti calibrati di composti polimerici con proprietà quali antimicrobicità, elettroconduttività, radiopacità o osteoconduzione. L'esperienza necessaria riguarda l'utilizzo all'interno delle matrici polimeriche di additivi con proprietà antimicrobiche ad ampio spettro piuttosto che specifici per determinati ceppi batterici o la capacità di creare polimeri con antibiotici e additivi antinfiammatori che mantengono la loro efficacia anche dopo estrusione a temperature intorno ai 250° C.

Altre cariche bioattive sono l'ossido di grafene, utile sia come materiale in grado di generare elettroconduzione ma anche come materiale in grado di conferire proprietà di differenziazione cellulare anziché favorire la crescita cellulare. Un altro settore di estremo interesse è quello dei materiali osteoconduttivi attraverso lo sviluppo di composti polimerici in polimero bioriassorbibile caricato con idrossipatite.

Infine, data la possibilità di stampare in 3D protesi permanenti con materiale polimerico e sapendo che tutti i polimeri termoplastici sono trasparenti ai raggi X, è estremamente interessante renderli radiopachi per monitorare le protesi all'interno del corpo del paziente. Il conferimento della radiopacità nei polimeri termoplastici è possibile grazie alla scelta di idonei filler radiopacizzanti che possono essere finemente ed omogeneamente miscelati nella matrice polimerica con la tecnologia del melt compounding.

Le stampanti 3D più presenti nella clinica medica sono quelle basate sulla tecnologia a filamento definita FDM (Fused Deposition Modeling) o le macchine Bioprinting che invece funzionano con piccole cartucce polimeriche sotto forma di granuli.

Entrambe le macchine possono lavorare anche in ambiente sterile, quindi possono consentire la produzione di prodotti impiantabili per scopi di ricerca ma anche per cure cliniche. Le stampanti possono lavorare con filamenti polimerici con diametri calibrati che vanno da 1,75 a 2,85 mm o con granuli polimerici. Il materiale polimerico utilizzato può essere un polimero termoplastico puro anziché additivo con cariche di funzionalità specifiche.

I materiali polimerici con funzionalità specifica, sviluppati e prodotti in Nadir Plasma & Polymers, sono caratterizzati al fine di fornire oltre al materiale anche una scheda tecnica che quantifica le prestazioni ottenute. In particolare, grazie ad una fitta rete di collaborazioni universitarie che vanno dall'Università Cà Foscari all'Università di Pisa, partner accademici di lungo periodo, è in grado di offrire studi di microscopia e diffrazione dei raggi X che servono a fornire la morfologia del polimero composto, piuttosto che studi di bioattività come la capacità antimicrobica di un particolare composto termoplastico. Anche le proprietà elettroconduttive e di resistenza termica sono spesso caratterizzate nei composti generati.

Grazie a materiali polimerici come quelli fin qui descritti, sarà possibile produrre dispositivi medici extracorporei con funzioni antimicrobiche o elettroconduttive integrate piuttosto che oggetti impiantabili con capacità di rigenerazione ossea o di supporto nella fase post-chirurgica. Molti materiali possono essere utilizzati anche nella costruzione di dispositivi medici indossabili che possono essere utili nella diagnosi remota e nel monitoraggio dei pazienti.

Chiaramente, mai come adesso, è molto attuale la possibilità di generare materiali polimerici con capacità antimicrobica o addirittura antivirale che aiutino nella non proliferazione di microrganismi patogeni. Con questi materiali sarà possibile produrre sia componenti che arredi presenti negli ospedali piuttosto che dispositivi medici di grande consumo o superfici polimeriche.

In uno scenario futuro è logico pensare che competenze polimeriche e biomediche possano essere integrate per creare parti in grado di sostituire tessuti e organi danneggiati da traumi o malattie. A questo proposito, il Bioprinting e i materiali polimerici utilizzabili nelle macchine per la Bioprinting consentiranno di creare organi più semplici come le strutture cartilaginee delle orecchie o della trachea, dove la bioprinting 3D utilizza "scaffold" progettati in CAD e stampati in 3D utilizzando materiali biocompatibili, su cui poi verranno impiantate le cellule che andranno a formare i tessuti e l'organo, fino ad organi più complessi e formati da tante cellule diverse, come il fegato, il cuore oi reni.

Questo articolo è il risultato di un confronto tecnico e visionario con Marco Scatto, scienziato dei polimeri, con il quale sono stati analizzati alcuni scenari presenti e futuri dei materiali polimerici nel settore medico. Lo sviluppo e la produzione di granuli e filamenti calibrati di compound polimerici, nonché l'analisi e la valutazione di processi e nuove applicazioni possono essere esplorati con Scatto sul sito: www.marcoscatto.com e sul sito www.nadir-tech .it .

Marco Scatto, Chimico Industriale specializzato in Scienza dei Polimeri. È autore di almeno 20 pubblicazioni scientifiche su riviste internazionali, autore di 4 brevetti.

Oggi è scienziato dei polimeri presso Nadir Srl e consulente nell'industrializzazione di prodotti e processi riguardanti le materie plastiche in vari settori, dal biomedicale al packaging. Relatore a vari congressi scientifici internazionali. Figura tra i 50 esperti di Additive Manufacturing nominati dalla Commissione Europea.

Tra le altre attività è anche Senior Consultant nella redazione di proposte progettuali cofinanziate e Expert Professor di Polimeri presso l'Istituto Italiano Imballaggio e altre società di formazione.

Dal 2018 è Docente a contratto in Master Universitario di Specializzazione presso l'Università degli Studi di Padova (Corso in Corsi Specifici per l'Industria dei Materiali da Imballaggio (ISC 2) - Environmental Management and Regulatory Affairs in Fragrance and Cosmetics all'interno del Master in Business and Management (MBM) - Specifico per l'Industria settore profumi e cosmetici.

Prototipo di un dispositivo per il distacco della retina, realizzato con stampante 3D FFF in poliuretano termoplastico” realizzato presso il Laboratorio 3D4Med Clinical 3D Printing della Fondazione IRCCS Policlinico San Matteo e il Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura dell'Università degli Studi di Pavia. Filamenti polimerici realizzati di Marco Scatto presso lo stabilimento Nadir Plasma & Polymers

Prototipo di stent tracheale, realizzato con una stampante 3D FFF in poliuretano termoplastico realizzato presso il Laboratorio di Stampa 3D Clinica 3D4Med della Fondazione IRCCS Policlinico San Matteo e il Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura dell'Università degli Studi di Pavia. Filamenti polimerici realizzati da Marco Scatto presso lo stabilimento Nadir Plasma & Polymers

Filamento composto polimerico su misura utilizzato nelle stampanti 3D FFF e prodotto da Nadir Plasma & Polymers

a cura di Ubaldo Spina

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