I polimeri bioriassorbibili a memoria di forma in medicina

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I polimeri bioriassorbibili a memoria di forma in medicina

18-09-2015 - scritto da Prof.ssa Virginia A. Cirolla

Una nuova classe di materiali polimerici intelligenti dalle svariate applicazioni in campo biomedico, nella robotica, nell’ingegneria civile e come tessuti.

Cosa sono i polimeri a memoria di forma (SMPs) e quali sono i loro utilizzi in Medicina.

I polimeri bioriassorbibili a memoria di forma in medicina

Negli ultimi anni è emersa una nuova classe di materiali capaci di modificare la forma se sottoposti ad uno stimolo esterno, che potrebbe essere un’alternativa più efficiente alle ben note leghe metalliche a memoria di forma (SMAs) in campo biomedico: i polimeri a memoria di forma (SMPs).

Tali materiali polimerici intelligenti sono molto interessanti per svariate applicazioni in campo biomedico, nella robotica, nell’ingegneria civile e come tessuti.

Rispetto agli SMAs richiedono processi di produzione più economici, e presentano più bassa densità e capacità di deformazione elastica.

L’effetto di memoria di forma può essere osservato in polimeri che differiscono per struttura e composizione chimica, in quanto a differenza delle leghe metalliche, nei materiali polimerici tale comportamento non dipende da una caratteristica intrinseca del materiale.

E’ possibile sintetizzare diversi SMPs scegliendo la composizione chimica che permette di ottenere i polimeri con le proprietà intrinseche, come le proprietà meccaniche, la temperatura di transizione, la biocompatibilità e la stabilità più idonea all’applicazione a cui devono essere destinati.

 

L’effetto di memoria di forma nei materiali polimerici dipende dalla struttura molecolare del polimero e dal processo cui viene sottoposto tale materiale. Nella fase iniziale il polimero viene sintetizzato e formato attraverso le comuni procedure industriali utilizzate per la produzione delle plastiche. In una seconda fase si sottopone il materiale ad un processo costituito da due fasi distinte:

  • La prima fase, programming, consiste nella deformazione del polimero dalla forma temporanea mediante l’applicazione di una forza; la forma temporanea deve essere mantenuta anche quando il polimero non e’ piu’ sottoposto ad uno sforzo esterno
  • Nella seconda fase, definita recovery, si sottopone il materiale ad uno stimolo particolare, a seguito del quale il SMP riassume la forma permanente. La velocità con cui si verifica deformazione della forma temporanea alla forma permanente nei polimeri è più elevata che nelle leghe metalliche

 

I polimeri che presentano proprietà di memoria di forma indotte termicamente sono elastomeri costituiti da due fasi ben distinte:

  • Una fase reversibile è formata da catene chiamate switching segments che possono essere amorfe  o cristalline. Quando il polimero viene raffreddato al di sotto della temperatura di transizione i movimenti tra le catene vengono impediti poiché si verifica la transizione vetrosa o il processo di cristallizzazione: di conseguenza la forma temporanea si mantiene anche se il polimero non è più sottoposto ad una forza esterna
  • L’altra fase fissa presenta una temperatura di fusione superiore a quelle raggiunte nel ciclo di programming e recovery ed è responsabile della formazione della forma permanente del polimero; tali interazioni vengono definite netpoint. Un ulteriore processo di programming e recovery sfrutta come stimolo la radiazione elettromagnetica

 

La forma temporanea è fissata inducendo la formazione di legami chimici mediante irraggiamento con radiazioni UV caratterizzate da una specifica lunghezza d’onda. Irraggiando il polimero con una radiazione più energetica si rompono i legami formati nello step di programming ed il polimero riassume la forma definitiva.

Sono stati proposti SMPs in cui si utilizzano altri stimoli come un segnale elettrico, un segnale magnetico, radiazioni infrarosse o delle radiazioni X e l’immersione in acqua, ma sono molto rari e spesso scomodi da usare.

 

Gli utilizzi dei polimeri bioassorbibili in Medicina

SMPs riassorbibili non richiedono una procedura chirurgica di rimozione e hanno procedure di impianto meno invasive poiché i dispositivi possono essere introdotti nel corpo del paziente in forma compressa e recuperare la forma permanente in loco, al fine di assolvere la loro funzione, se si prendono in considerazione quelli attivati termicamente che possiedono una temperatura di transizione nel range tra la temperatura ambiente e quella corporea (37°).

 

In campo clinico i polimeri bioassorbibili più usati sono:

  • PGA (acido poliglicolico)
  • PLA (acido polilattico)
  • PCL (poli e-caprolattone)
  • PDS (poli diossanone)

 

Sono stati sintetizzati biopolimeri costituiti da netpoint sia di tipo fisico che chimico.

 

In Cina sono in produzione ingessature con l’anima in SMPs che garantiscono un’ottima adesione alla pelle e permettono  d’immobilizzare la zona. Per avviare al restringimento delle strutture causato dall’innalzamento della temperatura in questo caso l’attivatore dell’effetto di memoria di forma non è il calore ma una sorgente a raggi X.

Ricercatori tedeschi ed inglesi stanno studiando applicazioni dei SMPs nell’ortodonzia: sono stati prodotti archi per l’ortodonzia polimerici il cui effetto di memoria di forma è indotto dalla radiazione ultravioletta, e che possono essere una valida alternativa a quelli costituiti da leghe metalliche a memoria di forma.

Sono stati inoltre sviluppati microattuatori per la rimozione di coaguli di sangue prodotti in poliuretano con proprietà di memoria di forma. Tali dispositivi vengono inseriti in forma di filo (forma temporanea ottenuta per elongazione del polimero) mediante catetere fino al raggiungimento dell’occlusione del vaso; in loco riacquistano la forma originaria grazie al calore (attraverso irraggiamento con radiazione laser) permettendo di rimuovere il trombo e di ripristinare il flusso sanguigno.

Potenziali applicazioni dei SMPs nella cura di aneurismi: utilizzando polimeri di forma si è visto che è possibile occludere un aneurisma con tecniche non invasive, inserendo una schiuma di SMPs grazie ad un catetere a fibra ottica fino alla zona di rilascio, ed ottenere l’espansione della schiuma fino alla avvenuta occlusione.

Per la cura di aneurismi sono stati usati anche SMPs a base di poliuretani, combinati con proprietà CHEM (Cold Hiber note Elastic Memory), schiuma a memoria di forma che raffreddata viene inserita in forma compressa all’interno dell’aneurisma stesso; grazie alla temperatura corporea la schiuma si espande ed occlude consentendo l’incorporazione di farmaci che possono essere rilasciati in loco per trattare le infezioni e ridurre la risposta infiammatoria.

Per le suture riassorbibili intelligenti si sono ottenuti ottimi risultati grazie all’utilizzo di copolimero formato da OCL (oligo e-caprolattondiolo) e da ODx (oligo-p-diossanon diolo) che possiede qualità straordinarie tra cui la bioriassorbibilità, una elongazione importante prima della rottura ed una temperatura di transizione di –40°.

Diverse sono le sostanze di derivazione dei biopolimeri, mi piace ricordare un possibile campo di produzione del polimero che prevede l’utilizzo di un batterio, pseudomonas corrugata, che ha la capacita’ di sintetizzare il biopolimero. Sperimentazioni in biologia molecolare hanno portato all’introduzione dei geni di pseudomonas corrugata responsabili della produzione del polimero nel corredo genetico di una pianta chiamata nicotiana benthamiana, una metodologia che apre le porte ad una modalità futuribile di produrre polimeri direttamente in piante coltivate che diventerebbero veri bioreattori. Il gene dello pseudomonas corrugata che presiede alla produzione del polimero è stato isolato e integrato in un batterio vettore (Agrobacterium tumefaciens).

Categorie correlate:

Malattie, cure, ricerca medica




Prof.ssa Virginia A.Cirolla
MD,PhD in Experimental And Clinical Research Methodology in Oncology Department of Medical and Surgical Sciences and Translational Medicine "Sapienza" University of Rome
National President A.I.S.M.O. ONLUS
www.studiomedicocirolla.it
www.aismo.it

Profilo del medico - Prof.ssa Virginia A. Cirolla

Nome:
Virginia Angela Cirolla
Comune:
ROMA
Telefono:
0645477448 3396769115, 3930944388, 3335230409
Azienda:
A.I.S.M.O. ONLUS
Professione:
Ricercatore
Posizione:
PRESIDENTE NAZIONALE
Occupazione:
MEDICO CHIRURGO SENOLOGO/TITOLARE CENTRO DI FORMAZIONE ANFOS/DIRETTORE SANITARIO A.I.S.M.O. ONLUS
Specializzazione:
Oncologia Medica, Medicina alternativa, Chirurgia generale, Perf in Ecografia, Senologia, Master Format. ANFOS, Master Agopuntura, Dottorato Ricerca Oncologica
Contatti/Profili social:
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