I polimeri per l’industria medicale

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I campi di applicazione dei polimeri in ambito medico sono numerosi e tali materiali possono aprire la strada alla realizzazione di approcci terapeutici sempre più avanzati. Alcuni esempi tecnologici di dispositivi disponibili sul mercato

I polimeri sintetici, cioè non di origine naturale ma preparati dall’uomo, sono sempre più utilizzati nella realizzazione di dispositivi medici e formulazioni farmaceutiche, grazie alle loro peculiari caratteristiche. Essi rappresentano in realtà una vasta famiglia di materiali, con proprietà che possono differire notevolmente da polimero a polimero. Si passa ad esempio dai materiali più rigidi a quelli elastici, da quelli stabili a quelli degradabili. Secondo l’applicazione in esame, è quindi possibile scegliere il materiale che possiede le caratteristiche desiderate. I polimeri possono essere facilmente modellati nelle forme desiderate, ad esempio tramite processi tradizionali quali estrusione, stampaggio a iniezione e a compressione. Recentemente, inoltre, sta suscitando un particolare interesse l’utilizzo di stampanti 3D, che consentono di produrre strutture tridimensionali provenienti da un modello digitale solitamente sviluppato mediante computer.

Il ruolo dei polimeri

I primi polimeri che sono stati utilizzati nella realizzazione di dispositivi medici, sono i così detti ‘biostabili’, cioè non biodegradabili e pressoché inerti (per esempio polietilene): in particolare sono stati impiegati per fabbricare tubi, cannule, siringhe, componenti di macchine per dialisi. L’utilizzo di questi materiali è stato poi esteso alla realizzazione d’impianti medici, quali lenti, valvole cardiache, protesi vascolari e mammarie. Tali dispositivi medici hanno però talvolta causato problemi, soprattutto dopo diversi anni d’impianto. E’ il caso ad esempio di alcune protesi mammarie (realizzate in poliuretani aromatici) che si sono dimostrate non stabili e sospettate di rilasciare molecole tossiche. Tali materiali sono stati ritirati dal mercato evidenziando conseguentemente la necessità di testare i dispositivi in condizioni che simulino quelle di utilizzo nel corpo umano, prima della loro commercializzazione. Polimeri non degradabili sono stati utilizzati anche nella realizzazione di protesi ossee: nel caso della protesi d’anca e in particolare per la realizzazione della componente femorale, ad esempio, il polietilene ad altissimo peso molecolare si è dimostrato un ottimo materiale, grazie alle sue proprietà meccaniche, al basso coefficiente di attrito e buona resistenza all’usura. Si stanno inoltre sviluppando tecniche avanzate la realizzazione di protesi su misura: attraverso analisi diagnostiche, quali TAC e risonanza magnetica del paziente, è possibile ricostruire al computer un modello 3D dell’arto da ricostruire; questo disegno è poi utilizzato per realizzare lo stampo polimerico.

Una tecnica simile è stata recentemente utilizzata in ambito chirurgico, per scegliere l’approccio interventistico da utilizzare su di un bambino, nato con una combinazione di quattro malformazioni cardiache. Ricercatori dell’Università di Louisville hanno tradotto le immagini bidimensionali della TAC del paziente in un modello 3D, che hanno usato come istruzioni per una stampante 3D, utilizzata in seguito per realizzare lo stampo del cuore, in una dimensione doppia rispetto all’originale. Grazie a questo modello, il cardiochirurgo ha potuto individuare un modo per praticare un collegamento tra aorta e ventricolo, in modo da permettere una circolazione sanguigna normale.

I materiali utilizzati

Le nuove sfide in ambito medico riguardano tuttavia l’utilizzo di strutture polimeriche con proprietà avanzate, capaci di funzionare da sostituti temporanei, stimolando la rigenerazione dei tessuti e degradandosi in concomitanza con la loro ricrescita. Simili costrutti sono particolarmente importanti per pazienti giovani, nei quali il dispositivo medico, se ‘stabile’, deve rimanere all’interno dell’organismo per numerosi anni (aumentando così i problemi legati ad esempio all’usura) e soprattutto in ambito pediatrico, poiché l’impianto ‘fisso’ non è in grado di adattarsi ai cambiamenti fisici del paziente, e necessita quindi di essere sostituito dopo alcuni anni. Per tali applicazioni sono preferibili quindi polimeri degradabili. Tra i materiali più utilizzati in tale settore, vi sono principalmente poliesteri quali l’acido polilattico (già ampiamente diffuso come plastica biodegradabile per usi quali le borse della spesa), l’acido poliglicolico, il policaprolattone e i loro copolimeri (ovvero polimeri con composizioni ‘miste’ dei precedenti). Una vasta gamma di questi polimeri è ad esempio commercializzata dalla multinazionale Evonik sotto il nome Resomer, e dalla ditta olandese Purac con il brand Purasorb. Variando alcune caratteristiche di tali polimeri (quali il peso molecolare) è possibile modulare il tempo di degradazione del polimero e selezionare quindi quello più adatto a una specifica applicazione. Polimeri degradabili sono utilizzati ad esempio nella realizzazione di viti di fissaggio osseo, fili di sutura, protesi.

Negli ultimi anni questi polimeri sono stati utilizzati anche nella realizzazione di stent coronarici. Gli stent sono dei piccoli tubi cavi, realizzati in una geometria simile a una maglia di dimensioni microscopiche, che sono inseriti nei vasi sanguigni e fatti espandere in prossimità delle ostruzioni (causati in genere da placche di colesterolo). Tali ostruzioni causano una limitazione o addirittura un blocco del flusso sanguigno, provocando così danni cardiaci (infarto del miocardio). Normalmente gli stent sono realizzati in materiali metallici, che però hanno delle limitazioni, soprattutto nel caso sia necessario intervenire una seconda volta su di uno stesso paziente, nel medesimo tratto di un vaso sanguigno. Il primo stent inserito, può infatti impedire l’introduzione di un secondo. L’utilizzo di stent degradabili, in gradi di erodersi dopo aver svolto la funzione meccanica richiesta, rappresenta quindi un sistema ideale in tali casi. Gli stent polimerici hanno anche altri vantaggi rispetto a quelli metallici, ad esempio permettono un migliore ripristino della fisiologica mobilità, flessibilità e pulsatilità del vaso sanguigno. L’azienda americana Abbot è stata la prima a commercializzare degli stent coronarici polimerici, in particolare in acido polilattico.

Polimeri degradabili

L’utilizzo di polimeri degradabili è sempre più richiesto anche dall’industria farmaceutica, per realizzare formulazioni a rilascio controllato e localizzato (FIG 4+5). I sistemi più studiati sono stati quelli micro- e nano- particellari, costituiti cioè da sfere polimeriche di dimensioni nanometriche o micrometriche (rispettivamente 1 miliardesimo e 1 milionesimo di metro) contenenti un farmaco. Questi sistemi sono stati utilizzati per incapsulare proteine e ormoni, perché permettono di proteggere tali molecole, che altrimenti si degraderebbero rapidamente in ambiente fisiologico, perdendo così la loro attività. L’azienda Alkermes ad esempio ha sviluppato la tecnologia ProLease, che prevede l’incapsulamento di proteine all’interno di una matrice di acido polilattico-co-glicolico. I sistemi nanoparticellari sono inoltre interessanti in ambito oncologico, perché si accumulano nelle zone tumorali, aumentando così l’efficacia farmacologica e diminuendo i problemi legati alla tossicità dei chemioterapici.

Un farmaco innovativo è stato sviluppato per il trattamento del glioblastoma, un tumore difficilmente trattabile che colpisce il cervello: le normali terapie a base di chemioterapici sono spesso inefficaci, a causa della difficoltà di superare la cosiddetta ‘barriera ematoencefalica’ e raggiungere quindi il cervello. La ditta Arbor Pharmaceutical ha sviluppato dei wafer polimerici, commercializzati con il nome di Gliadel, contenenti un farmaco chemioterapico, che sono inseriti chirurgicamente nella zona del cervello lesionata (FIG 6). Tali wafer (a base di una polianidride) si erodono lentamente, rilasciando gradualmente e localmente il chemioterapico. In conclusione i campi di applicazione dei polimeri in ambito medico sono numerosi e tali materiali possono aprire la strada alla realizzazione di approcci terapeutici sempre più avanzati.

G. Ciardelli, S. Sartori – Dipartimento di ingegneria meccanica e aerospaziale del Politecnico di Torino.

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