I polimeri bioriassorbibili a memoria di forma possono rappresentare il futuro della medicina?

Negli ultimi anni è emersa una nuova classe di materiali in grado di modificare la propria forma se sottoposti ad un particolare stimolo esterno, che potrebbe essere un’alternativa più efficiente ed economica alle ben note leghe metalliche a memoria di forma (SMAs), soprattutto in campo biomedico.
Sono i polimeri a memoria di forma (SMPs).
Tali materiali polimerici ‘intelligenti’ sono molto interessanti per svariate applicazioni industriali; presentano inoltre molte applicazioni potenziali nel campo biomedicale, nella robotica, nell’ingegneria civile e come tessuti.
Rispetto alle SMAs  richiedono processi di produzione più economici, hanno una più bassa densità e presentano un maggior capacità di deformazione elastica (nella maggior parte dei casi di gran lunga superiore al 200%). Un confronto tra le proprietà delle leghe metalliche e quelle dei polimeri a memoria di forma è riportato nella figura sottostante.

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L’effetto di memoria di forma può essere osservato in polimeri che differiscono tra loro per struttura e composizione chimica, in quanto, differentemente dalle leghe metalliche, nei materiali polimerici tale comportamento non dipende da una caratteristica intrinseca del materiale. E’ quindi 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.
Si stanno studiando anche SMPs bioriassorbibili che permettono l’accumulo di immobilizzare e successivamente rilasciare in loco diversi tipi di farmaci che consentono, ad esempio di trattare le infezioni e ridurre la risposta infiammatoria.

Prima di entrare nel particolare delle applicazioni in cui questi strabilianti materiali possono essere usati, cerchiamo di capire brevemente come avviene questo bizzarro effetto.
L’effetto di memoria di forma nei materiali polimerici, infatti, dipende dalla struttura molecolare del polimero e dal particolare processo cui viene sottoposto tale materiale. Inizialmente il polimero viene sintetizzato e formato in una forma permanente attraverso le comuni procedure industriali utilizzate per la produzione delle plastiche. In un secondo momento si sottopone il materiale ad un processo costituito da due fasi distinte.
La prima, definita programming, consiste nella deformazione del polimero dalla forma permanente ad una forma temporanea  mediante l’applicazione di una forza; la forma temporanea deve essere mantenuta anche quando il polimero non è più sottoposto ad uno sforzo esterno.
Nella seconda fase, chiamata 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 dalla forma permanente alla forma temporanea nei polimeri è più elevata che nelle leghe metalliche.

Ciclo di Programming e Recovery

Ciclo di Programming e Recovery

Il processo di programming e recovery solitamente è indotto termicamente: in tale processo la forma temporanea viene fissata raffreddando il materiale al di sotto  di una certa temperatura di transizione.
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, definita fase fissa, presenta invece una temperatura di fusione superiore a quelle massime raggiunte nel ciclo di programming e recovery ed è responsabile della formazione della forma permanente  nella fase di recovery dettate da interazioni di tipo fisico o di tipo chimico che fissano la forma permanente del polimero; tali interazioni vengono definite netpoint.

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Un altro possibile 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 radiazione UV caratterizzata 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.

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Inoltre sono stati proposti SMPs in cui si utilizzano altri stimoli come ad esempio un segnale elettrico, un segnale magnetico, della radiazione infrarossa o della radiazione X ed infine  l’immersione in acqua (come si può vedere in un esperimento del MIT di cui ho messo il video qui sotto), ma sono molto più rari e (spesso) scomodi da usare.

Dopo aver capito (più o meno) come avviene questo processo da un punto di vista chimico-fisico, passiamo alla parte più divertente: vedere le applicazioni che si sono ipotizzate con questi materiali, concentrandoci in particolare su quelle in cui sono usati come materiali bioriassorbibili per applicazioni mediche.
Infatti, i dispositivi a base di SMPs bioriassorbibili non richiedono una procedura chirurgica di rimozione; inoltre richiedono procedure di impianto meno invasive poiché i dispositivi possono essere introdotti nel corpo del paziente in forma compressa e successivamente recuperare la forma permanente in loco, al fine di assolvere la loro funzione, soprattutto se si prendono in considerazione quelli attivati termicamente che possiedono una temperatura di transizione nel range tra la temperatura ambiente e quella corporea (circa 37°C).
I materiali polimerici bioriassorbibili che presentano proprietà di memoria di forma fino ad ora proposti sono costituiti dai polimeri bioriassorbibili più usati in campo clinico, tra cui, ad esempio il PGA (acido poliglicolico), il PLA (acido polilattico), il PCL (poli ε-caprolattone), il PDS (poli diossanone). Sono stati sintetizzati polimeri costituiti da netpoint sia di tipo fisico sia di tipo chimico.

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Nella tabella sottostante riportiamo uno schema generale dei SMP biodegradabili proposti in letteratura in cui vengono descritte le proprietà di memoria di forma dei polimeri, le caratteristiche di degradazione in ambiente biologico, ed eventuali test di biocompatibilità effettuati in vitro o in vivo.Immagine

Tralasciamo per un attimo il campo medico, per introdurre le applicazioni che si possono realizzare con i polimeri a memoria di forma negli altri campi.
Una delle prime applicazioni industriali è stata proposta nel campo della robotica: sono state sviluppate delle pinze morbide da fornire in dotazione ai robot.
Un’altra curiosa applicazione studiata in India consiste nella produzione di tessuti ritraibili per fornire indumenti le cui maniche, se soggette all’alta temperatura (quindi con il sole o con il caldo), si arrotolano da sole.

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Senza parlare dell’applicazione per vistiti “auto indossanti”, come si può vedere dal video qui sotto, in cui si usa una famosissima “modella”.

Nel campo automobilistico si stanno studiando componenti che si “autoriparano” grazie ad un trattamento termico che permette di riportare il pezzo al suo stato originale.

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Come applicazione avanzata la D.A.R.P.A., l’agenzia per i progetti di ricerca avanzata per la difesa degli Stati Uniti, sta studiando un aircraft le cui ali, costruite con polimeri a memoria di forma, possono richiudersi su loro stesse.

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Come abbiamo già detto però il campo in cui si stanno studiando con maggior successo le applicazioni dei SMPs è quello biomedico.

In Cina sono in produzione delle ingessature con l’anima in SMPs che garantiscono una ottima adesione sulla pelle ed allo stesso tempo permettono di immobilizzare la zona. Per ovviare all’eventuale restringimento della struttura 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.

Dei ricercatori tedeschi e inglesi invece stanno studiando possibili applicazioni dei SMPs nell’ortodonzia: sono stati prodotti degli archi per ortodonzia polimerici, il cui effetto di memoria di forma è indotto dalla radiazione ultravioletta, e che possono essere una valida alternativa a quelli ad ora in commercio, costituiti da leghe metalliche a memoria di forma.

E’ stato proposto inoltre di utilizzare i SMPs per produrre stent pediatrici che permettano di superare le forti limitazioni delle leghe a memoria di forma in questo tipo di applicazioni: gli stent di SMAs una volta impiantati non sono infatti in grado di espandersi sufficientemente durante la crescita del paziente.

Sono stati sviluppati microattuattori per la rimozione di coaguli sanguigni 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 (generato attraverso irraggiamento con radiazione laser) permettendo di rimuovere il trombo e di ripristinare il flusso sanguigno.

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Molto recentemente sono state studiate potenziali applicazioni dei SMPs nella cura  di aneurismi.

Usando polimeri a memoria 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 aspettando l’espansione della schiuma fino alla avvenuta occlusione.

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Per la cura di aneurismi sono stati usati anche SMPs a base di poliuretani, combinati con proprietà CHEM (Cold Hibernate Elastic Memory, ovvero schiume a memoria di forma sviluppate dalla Mitsubishi): queste schiume raffreddate vengono inserite in forma compressa all’interno dell’aneurisma stesso, poi grazie alla temperatura corporea, la schiuma si espande e occlude. Nella figura in basso sono riportati gli ottimi risultati prodotti dai test in vivo: si può osservare la chiusura dell’aneurisma sia da una vista superiore (A) che dalla sezione assiale (B).

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I dispositivi prodotti con i polimeri a memoria di forma permettono di sviluppare procedure di impianto poco invasive, non necessitano di una successiva procedura di rimozione ed eventualmente premettono l’incorporazione di farmaci che possono essere rilasciati in loco per trattare le infezioni e ridurre la risposta infiammatoria.

Nell’ambito delle suture bioriassorbibili intelligenti si sono ottenuti degli ottimi risultati grazie all’utilizzo di un copolimero formato da OCL (oligo-ε-caprolattondiolo) e da ODX (oligo-p-diossanon-diolo) che possiede delle straordinarie qualità, tra cui la bioriassorbibilità, una elongazione fino al 1000% prima della rottura ed una temperatura di transizione di circa 40°C.

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Gli autori di questo studio, in particolare, propongono una possibile soluzione al problema più gravoso della chirurgia endoscopica. In questo tipo di procedura infatti è molto difficile manipolare manualmente la sutura per fornire la corretta tensione al filo: se si comprime troppo il tessuto c’è rischio di necrosi dello stesso, mentre se la sutura è troppo lenta  si genera un tessuto che non presenta le adeguate proprietà meccaniche. Mediante test in vivo su animali è stata dimostrata l’efficacia di fili di sutura prodotti con l’SMP biodegradabile citato: utilizzando tale materiale è possibile progettare un filo di sutura intelligente la cui forma temporanea deformata mediante elongazione consenta una facile applicazione; quando il filo si trova in contatto con l’ambiente corporeo alla temperatura di 37°C, quindi al di sopra della temperatura di transizione, grazie all’effetto di memoria di forma ritorna alla sua forma permanente.

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Dal 2003 sono in commercio stent metallici a memoria di forma ricoperti esternamente da uno strato polimerico che permettono di rilasciare farmaci grazie ai quali è possibile combattere le infezioni e ridurre la probabilità di restenosi. Molto recentemente è stato dimostrato che è possibile utilizzare anche stent costituiti da SMPs bioriassorbibili che assolvono le medesime funzioni di drug delivery: infatti è possibile caricare tali polimeri con dei farmaci senza che quest’ultimi influenzino l’effetto di memoria di forma. E’ stato inoltre verificato che la biodegradabilità ed il rilascio graduale dei farmaci non si influenzano tra loro; inoltre la cinetica con cui il farmaco viene rilasciato nell’organismo non viene modificata dal processo di programming e ricovery.

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Ricapitolando, i polimeri a memoria di forma sono materiali intelligenti che, in determinate condizioni, sono in grado di mantenere una forma deformata in assenza di uno sforzo esterno, e poi di riacquistare la loro forma permanente qualora siano sottoposti ad un particolare stimolo. Questo comportamento è stato osservato in materiali polimerici dalla struttura chimica molto differente, che reagiscono a stimoli di natura molto diversa tra loro. Parte della ricerca si sta tuttora focalizzando sulla ricerca di stimoli differenti dal calore (quali ad esempio la presenza di un campo magnetico, l’irraggiamento con radiazione UV o l’immersione in acqua) che permettano di generare l’effetto di memoria di forma.
Per applicazioni biomedicali si stanno sviluppando polimeri biocompatibili che presentano una temperatura di transizione nell’intorno di quella corporea.
I risultati, spesso molto positivi, ottenuti da studi in vitro e in vivo su SMPs biocompatibili, ed eventualmente biodegradabili, e le loro uniche proprietà li rendono idonei per molti tipi di impianti, ed è quindi molto probabile che nei prossimi anni sia avviata e portata a termine con successo la fase di sperimentazione preclinica di questi impianti, a cui dovrebbe seguire l’introduzione dei dispositivi a base si SMPs nelle procedure cliniche.

Spero che l’articolo vi sia piaciuto.
Vorrei ringraziare pubblicamente la mia compagna di studi dell’Università, con la quale ho realizzato questa tesina un paio d’anni fa oltre a tanti altri progetti che magari in futuri vi presenterò, ovviamente in forma “alleggerita”.
Purtroppo l’esame in questione poi non l’ho concluso per problemi con la Professoressa che teneva il corso, ma l’argomento mi è sempre rimasto nel cuore, e spero interessi anche a voi, coraggiosi lettori.

Saluti,

MMarans.

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Pubblicato il 15 aprile 2013, in Uncategorized con tag , , , , , , , . Aggiungi il permalink ai segnalibri. 3 commenti.

  1. MMarans, ti chiedo scusa per il ritardo, ma in queste settimane sono preso dalla ricerca di un lavoro, e sono sinceramente preoccupato dall’averne trovato uno quasi da schiavismo..
    Sto leggendo tutto quello che ho lasciato indietro, comincio da questo e appena posso vedo di trovare il tempo per leggere anche i vecchi post.

    Continua a scrivere, lo sai che sei il migliore.

  2. Molto, molto interessante!!

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