© PST Galileo - Maggio 2014

Forchetta per disabili con impugnatura in Polimero a Memoria di Forma, forma stabile

Forchetta per disabili con impugnatura in Polimero a Memoria di Forma, forma modificata

Materiali innovativi e nuove opportunitàdi sviluppo per il settore medicale

La scelta corretta di materiali e tecnologie costituisce una delle chiavi per conferire valore aggiunto ai prodotti in termini di innovazione tecnologica. Anche nel settore del biomedicale si possono cogliere nuove opportunità di sviluppo grazie a un efficace utilizzo del trasferimento tecnologico.

Materiali come polimeri tecnici ad elevate prestazioni detti “tecnopolimeri” o “ultrapolimeri”, come i polimeri a memoria di forma, elettronica flessibile, nanotecnologie, sono alcuni esempi di materiali e tecnologie che possono trovare interessanti applicazioni in questo settore, contribuendo alla progettazione e messa a punto di nuovi prodotti.

I tecnopolimeri sono materiali termoplastici che offrono prestazioni superiori a quelle dei polimeri tradizionali; possono essere forniti in granuli e/o lastra ed essere lavorati attraverso le comuni tecnologie di processo, quali lo stampaggio ad iniezione, la termoformatura, la calandratura, ecc.; inoltre, questi materiali sono trasformabili a partire da un pieno con l’impiego di tradizionali lavorazioni meccaniche con utensili.

Una classe di polimeri che merita un’attenzione particolare è quella dei Polimeri a Memoria di forma, che risultano di particolare interesse per l’ambito biomedicale per il contributo che sono in grado di dare per il miglioramento dell’ergonomia. I materiali a memoria di forma appartengono all’ampia e diversificata famiglia degli ‘smart materials’ o ‘materiali intelligenti’, che si differenziano da quelli tradizionali per particolari proprietà che si evidenziano a seguito di stimoli esterni, quali ad esempio la temperatura, la pressione, la luce, l’umidità o il pH.

I Polimeri a Memoria di Forma (PMF) sono resine che, a partire da granuli per lo stampaggio ad iniezione e ad estrusione o da liquidi/soluzioni per rivestimenti superficiali/impregnazioni, possono essere lavorate per ottenere oggetti di qualsiasi forma e caratterizzati dalla proprietà chiamata “Memoria di Forma”. Sono così definiti perché se, partendo da uno stato iniziale “A”, vengono riscaldati superando la temperatura di transizione vetrosa (Tg), passano rapidamente da uno stato rigido ad uno più morbido e malleabile, che può essere quindi modificato a piacere; se subiscono un raffreddamento, la nuova forma impressa resta ‘congelata’ e quindi mantenuta (stato “B”); nel caso in cui venga nuovamente fornito del calore, il materiale perde la forma raggiunta nello stato “B” e, come se avesse una memoria, torna esattamente alla sua configurazione originale che, raffreddandosi, si irrigidisce nuovamente.

A questo punto il polimero è pronto per un nuovo ciclo di cambiamento di forma. Questa trasformazione può avvenire infinite volte senza che le caratteristiche di ‘memoria’ vengano perse: il recupero della forma è assicurato infatti al 100% a meno che lo stato “B” sia ottenuto per stiramento lineare con superamento del limite elastico del materiale.

Spesso i polimeri a memoria di forma vengono sfruttati non solo per le loro proprietà di ritorno alla forma iniziale, che prevede il passaggio intermedio allo stato “B”, ma anche per la caratteristica di essere ‘plasmabili’ ad un valore utile di temperatura, che, ad esempio, in molte applicazioni può coincidere con quello corporeo; in quest’ultimo caso quindi si sfrutta solamente il passaggio dallo stato “A” a quello “B”. Nessun altro polimero, tra quelli tradizionali, evidenzia un comportamento simile a temperature così basse. Sfruttati inizialmente per un impiego nel settore aerospaziale, oggi prevedono utilizzi nei settori industriali più vari.

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Elettronica flessibile Guanto interattivo

Grazie alla loro biocompatibilità, alcune tipologie di resine termoplastiche sono impiegate nel settore medicale. Similmente a quanto accade con i metalli a memoria di forma, questi polimeri sono rigidi e duri a temperatura ambiente ma, una volta impiantati nel corpo umano, diventano più morbidi a contatto con la temperatura corporea, offrendo in tal modo maggiore biocompatibilità con i tessuti umani.

Ciò ha implicazioni importanti in tutti quei casi in cui è richiesta un’elevata adattabilità a una data struttura anatomica una volta che l’impianto è inserito nel corpo. Sono già in produzione delle cannule intravenose realizzate con questi polimeri e il vantaggio che ne deriva è immediato; il paziente è infatti molto più libero nei movimenti, dato che nel suo corpo sono presenti elementi non rigidi ma dotati di elasticità simile a quella dei tessuti corporei.

La versatilità dei processi produttivi applicabili (iniezione e estrusione) permette di ottenere dispositivi dalle forme complesse e miniaturizzate, ottimizzate per l’inserimento nel corpo umano; sfruttando la proprietà di memoria di forma, si possono ricavare anche forme molto più complesse a partire da forme semplici, come tubi, filamenti, tondini o film.

L’ergonomia che questo materiale garantisce è stata sfruttata per la realizzazione di impugnature di forchette per utenti con ridotta mobilità della mano, in quanto il materiale è in grado di adattarsi alla forma della mano a fronte di un minimo riscaldamento, mantenendo la sagoma impressa fintanto che la posata non venga posta in lavastoviglie – o lavata in acqua calda - dove, per effetto termico, torna alla configurazione iniziale, consentendo in tal modo un nuovo utilizzo da parte di un utente differente.

I Polimeri a Memoria di Forma, pur essendo già presenti sul mercato con diverse tipologie di prodotti, sono dei materiali ancora poco utilizzati, se si tiene conto delle loro particolari proprietà, uniche nel mondo delle plastiche.

Una delle recenti applicazioni riguarda la realizzazione di alcune membrane per il settore tesile. Esse sfruttano il principio della vibrazione termica ovvero, quando la temperatura ambiente è sotto il punto di attivazione (dettato dalla temperatura corporea), la struttura molecolare si irrigidisce abbassando la permeabilità consentendo in tal modo di mantenere la temperatura corporea; viceversa, quando la temperatura ambiente supera il punto di attivazione, la struttura molecolare si rammollisce creando degli spazi liberi tra le molecole, permettendo l’eliminazione del vapore acqueo e del calore corporeo in eccesso. Queste membrane possono essere utilizzate per realizzare tessuti impermeabili all’acqua e resistenti al vento, traspiranti e allo stesso tempo permeabili al vapore acqueo garantendo quindi la caratteristica di anti-condensazione.

Nel mondo del tessile oggi la tecnologia applicata ai tessuti ha permesso la creazione di veri e propri “mini laboratori di biomeccanica” su misura dell’utente grazie a tessuti che acquistano funzionalità elettroniche.

Questo è possibile soprattutto grazie alla nuova frontiera dell’”elettronica flessibile”. Diventa allora possibile integrare nell’abbigliamento in modo quasi invisibile cardiofrequenzimetri, misuratori della frequenza respiratoria o misuratori di pressione del piede e delle scarpe sul terreno (pronazione del piede), senza limitare la libertà di movimento.

Alla luce delle considerazioni fatte, grazie alle tecnologie “flessibili” l’elettronica può essere conformata a strutture o a oggetti dalle forme più varie consentendo allo stesso tempo una interattività con gli ambienti. In questo modo strumenti che solitamente vengono utilizzati per uno scopo ben definito, come la scarpa che serve per camminare, acquistano funzionalità diverse o diventano addirittura nuove periferiche di comunicazione. Una recente applicazione è quella dell’integrazione di microsensori in guanti, in grado di trasmettere un segnale elettrico con il semplice movimento delle dita.

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Nanotecnologie, tessuto antimacchia Polimeri bio-riassorbibili

Creature digitali che nuotano, saltano o volano su pavimenti e su muri e che interagiscono con le persone: sono le cosiddette “living sufaces”, superfici che hanno un’anima interattiva con le quali si può giocare e, appunto, interagire semplicemente con il tocco o il movimento del corpo. Tutto questo è ottenuto grazie a dei sensori ottici ad elevata sensibilità che sono in grado di osservare e percepire i movimenti delle persone; i segnali recepiti vengono poi trasmessi in tempo reale ad un software che li elabora e li trasforma in effetti visivi proiettati in display posti in pavimenti, muri o soffitti. In questo modo ogni persona si trasforma da osservatore a partecipante attivo capace di modificare lo spazio intorno a sé, risvegliando emozioni grazie agli effetti visivi che egli stesso è in grado di trasmettere. In questo modo ambienti come ad esempio camere di ospedali o sale di attesa si trasformano in luoghi piacevoli dove i bambini e i pazienti possono trovare un’atmosfera più confortevole.

L’impiego di nanotecnologie ha consentito enormi sviluppi nel campo della progettazione di nuovi materiali, tra cui rientrano i cosiddetti “ultrapolimeri”. Ad esempio, grazie alla deposizione di inchiostri conduttivi , si possono trasformare siliconi tradizionali in chip ed elettrodi. Queste deposizioni possono essere realizzate in spessori da 20 a 200nm con materiali trasparenti e non e con coatings sia in single-layer che multi-layers. Nel campo a nanolitografia inoltre, possono essere riprodotte strutture micro e nano; questa tecnica è particolarmente utile in campo biomedico per la realizzazione di biostrutture su scala nanometrica che possono consentire l’ottenimento di sensori ottici e telecamere in miniatura.

Un’altra interessante tecnologia è quella dei trasduttori, che consente di trasformare superfici in altoparlanti grazie alla conversione di vibrazioni meccaniche in elettriche. Tale caratteristica nei vibrotrasduttori è resa possibile dall’utilizzo di una lega metallica magnetostrittiva denominata Terfenol-D in grado di trasferire o convertire energia magnetica in lavoro meccanico e viceversa. La lega è in grado di espandersi e contrarsi se sottoposta a magnetizzazione fino a 20.000 volte al secondo. Questo permette di convertire un segnale audio in vibrazione (onda meccanica) che può essere trasferita ad un materiale solido in modo tale da rendere tutta la superficie un diffusore uniforme del suono.

A seguito di una attività di progetto svolta in collaborazione con MaTech, questa tecnologia è stata sfruttata con successo nella realizzazione di termoculle per bambini neonati prematuri al fine di trasmettere la vibrazione sonora della voce della mamma anche in termoculla; questa applicazione è tuttora in fase di sperimentazione in alcuni ospedali d’Italia. In campo tessile, numerose sono le nuove proposte che il mercato offre e che possono fornire potenziali applicazioni anche nel settore medicale. Ad esempio, risultano interessanti i tessuti a base poliuretanica bi-elastici caratterizzati da allungamento fino al 200%; si tratta di tessuti traspiranti, idonei al contatto con la pelle e al contatto alimentare, saldabili e accoppiabili ad altri tessuti.

Segnaliamo anche i tessuti ricavati da una fibra tessile in grado di generare calore grazie all’energia che si crea dal controllo dell’espansione del filato. Una persona adulta, quando non pratica attività sportiva, emette naturalmente ogni giorno circa 900 cc di umidità dalla pelle; questo filato, grazie alla sua particolare composizione e struttura, è in grado di assorbire tale umidità e di trasformarla in calore. La fibra produce calore anche quando le molecole di vapore acqueo, trattenute dal filato, entrano in frizione tra loro.

Oltre a questa funzione, questa tecnologia presenta altre importanti proprietà. La prima è una funzione antibatterica e antiodorante in grado di prevenire la formazione di batteri, muffe e odori. La seconda è il controllo del pH, che neutralizza gli effetti del sapone e del sudore mantenendo neutro il pH dei capi per tutta la durata degli stessi. Attualmente i prodotti filati con questa fibra sono sottocapi tecnici usati nella produzione di abbigliamento sportivo (ad esempio sotto-maglie, guanti, calze, paraorecchie, berretti, pantaloncini scaldamuscoli).

Meritano attenzione anche i filati ricavati da polimeri bio-assorbibili. Queste particolari formulazioni polimeriche bio-assorbibili, sviluppate soprattutto per applicazioni mediche, comprendono infatti sia polimeri bio-assorbibili e bio-degradabili stampabili, disponibili in forma di gel iniettabile o polvere e impiegati per lo più in medicina per il trasporto di sostanze curative (drug delivery) e di principi attivi, sia i prodotti derivati da questi polimeri, come ad esempio micro e mono filamenti, tessuti, reti, trecce tubolari, film, bende e altro ancora.

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Struttura a molla 3D Struttura a molla 3D accoppiata a tessuto e termoformata

Tutti questi materiali possiedono la certificazione FDA (per idoneità al contatto alimentare) e la ISO 13485 (per dispositivi medici). I polimeri utilizzati sono a base Glicoprene, Lattoprene, Acquaprene, PLA (acido polilattico), PGA (glicolide omopolimero) e PDO (diossano omopolimero).

Alcune soluzioni sono state brevettate. Il tempo di vita del materiale può variare da due/tre settimane fino a circa due anni. Alcuni articoli vengono prodotti con blend polimerici radio-opachi. Questi materiali sono impiegati finora per la realizzazione di maglie per ernia, dispositivi di chiusura di ferite, sigillanti vascolari, tessuti adesivi, gel dentali, tubetti per vari usi.

Rimanendo sempre nel campo dei tessuti, molto interessanti risultano anche i trattamenti per funzionalizzare la superficie dei tessuti. In particolare l’impiego del biossido di titanio nanometrico permette di variare la tensione superficiale del materiale rendendolo antimacchia. Trattamenti di questo tipo possono essere anche antibatterici e alcuni di questi hanno ottenuto presidio medico chirurgico e possono essere applicati a substrati di diverso tipo (tessuti, vetri, ceramiche).

Nel campo delle risorse rinnovabili vale la pena citare il recente sviluppo di additivi plasticizzanti a base di acido citrico come alternativa agli ftalati, da impiegare ad esempio con PVC o derivati della cellulosa. Questi additivi hanno la proprietà di ridurre la durezza del polimero, sono idonei al contatto alimentare e biodegradabili e possono venire utilizzati in campo alimentare, farmaceutico e medicale, nel settore dei giocattoli e della cosmesi.

In tema di benessere, vale la pena citare anche tutti quei materiali impiegati nel settore del bedding, medicale compreso, che favoriscono il confort dell’utente. In questo caso un interessante alternativa alle schiume in poliuretano impiegate tradizionalmente nei materassi e cuscini è rappresentata dalle nuove strutture a molla 3D con elasticità simile alla gomma. Si tratta di un materiale costituito da un filamento continuo in Pelprene, un elastomero termoplastico a base di poliestere eccezionalmente durevole, che viene avvolto secondo un anello casuale in una struttura a molla 3D.

In questo modo si ottiene un prodotto che possiede elevata traspirabilità, permettendo all’umidità di fuoriuscire ed evitando in tal modo la proliferazione e la diffusione di muffe. Questo materiale è idrorepellente e facile quindi da lavare, garantisce un effetto protettivo nei confronti degli acari e presenta un’elevata leggerezza.

L’impiego di Pelprene, inoltre, permette un elevato recupero a compressione e altrettanto effetto di ammortizzamento ed ecosostenbilità, dato che le emissioni di gas velenosi al momento dell’incenerimento sono pressoché nulle. Può essere progettato a seconda dei requisiti regolando lo spessore (da 15 a 100 mm) e la densità( da 20 a 200 Kg/m3); la forma trans-sezionale della fibra può essere sia tipo nucleo cavo che tipo nucleo pieno.

Questo prodotto viene impiegato in diversi ambiti: medico-sanitario per letti di ospedali, culle di neonati, cuscinetti per la prevenzione di piaghe da decubito; sport per tappettini da gioco, fodere protettive, sedili; veicoli per sedili e selle; arredamento per divani e cuscini; protezione ambientale per isole galleggianti, supporti di crescita microbica; i per altri impieghi come filtri, abiti non infiammabili, pareti.

In ultimo, segnaliamo una novità proposta nel settore del packaging farmaceutico: in questo settore le fialette contenenti medicinali sono generalmente confezionate in vetro sul quale viene poi applicata una etichetta illustrativa del prodotto. A causa della fragilità del materiale, il rischio di rotture e danneggiamento dell’involucro con relativo spreco del prodotto è elevato.

Questo innovativo packaging è in grado di proteggere la fialetta di vetro grazie ad un film termorestingente che viene applicato in una unica soluzione assieme all’etichetta. A seguito di un passaggio attraverso un getto di aria, il film va ad aderire perfettamente alla forma del vetro fornendo protezione anche nella parte inferiore, che in caso di cadute rappresenta il punto più critico per il possibile innesco di cricche. In questo modo il medicinale resta al sicuro e non subisce contaminazioni di alcun tipo.