COPPER

Produzione oggetti a base di polimeri stampati in 3D con proprietà antibatteriche

La NASA sta testando l'idoneità di un filamento per la stampante 3D antibatterico per l'uso in future missioni spaziali. Il filamento è realizzato da Copper3D, una società cilena con base negli Stati Uniti. Lo studio, condotto in collaborazione con l'Università del Nebraska a Omaha, mira a superare le sfide per la salute affrontate dagli astronauti della NASA nello spazio. Protesi antibatteriche stampate in 3D Un nuovo documento di ricerca "Protesi antibatteriche stampate in 3D" pubblicato sulla rivista Applied Sciences indaga "lo sviluppo di protesi stampate in 3D utilizzando filamenti antibatterici" e le conseguenti "proprietà antibatteriche delle protesi stampate in 3D". Si spera che la ricerca porti ad applicazioni tra cui protesi postoperatorie, medicazioni per ferite e apparecchiature chirurgiche. Dr. Jorge Zuniga lavora nel Dipartimento di Biomeccanica dell'Università del Nebraska ed è un collaboratore scientifico di Copper3D. Lavorando con il materiale PLACTIVE stampabile in 3D, un polimero di acido polilattico con nanoparticelle antibatteriche all'1%, il Dr. Zuniga ha prodotto le protesi delle dita stampate in 3D. Realizzato da Copper3D, PLACTIVE contiene nanoparticelle di rame che sono efficaci nella rimozione di virus, funghi e batteri e sono innocue per l'uomo. È un materiale biodegradabile a basso costo che possiede caratteristiche di termoformatura che aiutano la post-elaborazione e le regolazioni definite delle protesi stampate in 3D.

I risultati della ricerca hanno dimostrato che PLACTIVE è efficace fino al 99,99% contro i batteri Staphylococcus aureus e Escherichia coli (E.coli). Le proprietà antibatteriche del polimero non sono state influenzate dall'estrusione, tuttavia, la longevità di tali proprietà deve ancora essere completamente testata. Daniel Martínez, direttore dell'innovazione e co-fondatore di Copper3D, commenta: “Il nostro obiettivo principale è stato lo sviluppo di materiali antibatterici con applicazioni nel campo della medicina e della riabilitazione, come strumenti medico-chirurgici, ortesi, protesi, applicazioni nel mondo dentale e guarigione di ferite complesse ". "ORA Vogliamo fare un passo ulteriore e verificare il potenziale di questa tecnologia in altri tipi di sfide associate ai problemi del futuro delle missioni spaziali a lunga durata."

Applicazioni della stampa 3D antimicrobica materiali nello spazio Jorge M Zuniga *, 1,2 e Michael Thompson1 1Department of Biomechanics, University of Nebraska at Omaha, Omaha, NE, 68182, USA 2Facultad de Ciencias de la Salud, Universidad Autonoma de Chile, Cile ´ * Autore di corrispondenza: jmzuniga@unomaha.edu

Prima bozza presentata: 9 gennaio 2017; Accettato per la pubblicazione: 22 gennaio 2018;

Pubblicato online: 19 febbraio 2019

Parole chiave:

dispositivi medici nello spazio • contromisura del rischio microbico • NASA • fabbricazione in orbita • prolungata missioni spaziali

La vita nello spazio può avere molti effetti negativi sul corpo umano, dalla riduzione della massa muscolare, all'indebolimento del sistema immunitario. I dati degli esperimenti di volo attuali indicano alterazioni della virulenza microbica e dell'astronauta immune funzione durante il volo spaziale che suggerisce un aumentato rischio di malattia infettiva durante le missioni del volo spaziale. Alcuni i membri dell'equipaggio sperimentano anche reazioni di ipersensibilità cronica a causa della disregolazione del sistema immunitario potenzialmente limitare la longevità della missione spaziale. I risultati precedenti di esperimenti di volo spaziale suggeriscono anche cambiamenti in crescita microbica, incluso aumento della virulenza e aumento del tasso di crescita nella microgravità. In combinazione con potenziale suscettibilità dell'ospite dovuta a disfunzione del sistema immunitario, il rischio di infezione può essere molto più elevato nell'ambiente del volo spaziale che in un normale ambiente di lavoro.

Ricerca della NASA Uno studio recente ha scoperto che 28 astronauti hanno sperimentato una risposta immunitaria alterata durante i loro 6 mesi di missione presso la Stazione Spaziale Internazionale. Sfortunatamente, la causa diretta di questo alterato comportamento immunitario non è stata identificata, ma può essere collegata a radiazioni, microbi, stress, microgravità, cicli del sonno alterati e isolamento. In una missione spaziale prolungata, questi fattori potrebbero causare una maggiore suscettibilità alle malattie e, a sua volta, limitazioni all'esplorazione dello spazio umano. Gli scienziati hanno recentemente scoperto che il volo spaziale può causare "spargimento virale asintomatico" negli astronauti. La diffusione virale asintomatica si riferisce alla presenza del virus in assenza di segni o sintomi clinici. Inoltre, studi hanno dimostrato che il ceppo di S. aureus resistente alla meticillina ha dimostrato una resistenza agli antibiotici potenziata in condizioni analogiche alla microgravità, suggerendo potenziali alterazioni della funzionalità antibiotica durante i voli spaziali . Dato che si verificano condizioni mediche durante le missioni di volo nello spazio umano, esiste la possibilità di esiti negativi per la salute e decrementi nelle prestazioni durante queste missioni e per la salute a lungo termine. Pertanto, vi è la necessità fondamentale di contromisure preventive per mitigare i rischi microbici durante i voli spaziali.NASA ha a disposizione una varietà di metodi per controllare e ridurre la contaminazione microbica per la protezione del pianeta e dell'equipaggio durante le missioni di esplorazione dello spazio lungo. Le future missioni esplorative di lunga durata su Marte porteranno nuove sfide alla salute e al benessere degli astronauti. La produzione additiva è stata proposta come una tecnologia adatta per la fabbricazione di dispositivi medici a gravità zero per soddisfare le esigenze ortopediche dei membri dell'equipaggio con applicazioni promettenti nelle cure di emergenza in loco, come la produzione di strumenti chirurgici e la chiusura di cure potenzialmente ferite . La NASA in collaborazione con i partner di produzione MadeIn Space, Inc., ha lanciato la prima stampante 3D utilizzando la tecnologia Zero-G. L'obiettivo principale di questo progetto era di esplorare il potenziale utilizzo della modellazione a deposizione fusa per applicazioni in microgravità [. La capacità di fabbricare dispositivi spaziali nello spazio fornisce una potenziale soluzione ai rischi attuali osservati nel volo spaziale umano. La produzione di additivi nella microgravità rappresenta i primi passi sulla strada verso iniziative di esplorazione sostenibili e indipendenti dalla terra. Tuttavia, la disfunzione immunitaria segnalata dagli astronauti nello spazio e la potenziale virulenza e resistenza agli antibiotici virali durante i voli spaziali suggerisce la necessità fondamentale di sviluppare misure preventive per la produzione di dispositivi medici associati allo sviluppo batterico.

La disfunzione immunitaria degli astronauti nello spazio e la potenziale virulenza e resistenza agli antibiotici durante spaceflights limita drasticamente l'uso della tecnologia di stampa 3D, in particolare lo sviluppo di dispositivi medici. Pertanto, l'uso del filamento antimicrobico stampato in 3D ha potenziali promettenti applicazioni per la produzione su larga scala gamma di dispositivi medici associati al controllo batterico, come protesi postoperatorie, medicazione e attrezzatura chirurgica. Un nuovo standard per i materiali di stampa 3D Precedenti risultati [8,9] hanno scoperto che i composti di rame possono essere usati per sviluppare dispositivi medici con potenza proprietà antimicrobiche. Queste proprietà antimicrobiche e la sicurezza ambientale del rame lo rendono attraente sostituzione di argento e altri composti antimicrobici per lo sviluppo di dispositivi medici che richiedono controllo microbico. Inoltre, uno studio ha riferito che i composti contenenti argento possono causare irritazione e colorazione della pelle. Gli ioni rame funzionano mediante manipolazione strutturale delle proteine, inibendo la loro attività biologica e permeabilizzazione delle membrane plasmatiche. Il rame funziona anche come catalizzatore nel processo di guarigione delle ferite svolge un ruolo chiave nel potenziamento dell'angiogenesi (cioè nuova formazione di vasi sanguigni). L'incorporazione di le nanoparticelle di rame in una matrice polimerica hanno portato a un comportamento biocida migliorato. Questo potente biocida l'azione ha promettenti applicazioni per lo sviluppo di dispositivi medici associati allo sviluppo batterico. Il tecnologia di stampa 3D emergente  e sviluppo di nuovi materiali "attivi" con proprietà biocide  l'eccezionale opportunità di sviluppare dispositivi medici "attivi" che presentano comportamenti antimicrobici. PLACTIVE ™ è un filamento di stampa 3D antibatterico (composito di nanoparticelle antibatteriche all'1%, Copper3D, Santiago, Cile), ha dimostrato di essere efficace fino al 99,99% contro S. aureus ed Escherichia coli (Tabella 1). Il processo di fabbricazione di dispositivi medici antimicrobici (Figura 1) utilizzando un 3D antimicrobico biocompatibile il filamento di stampa comporta numerosi processi, come la fermentazione (dal mais all'acido lattico), la condensazione (lattide) e polimerizzazione (acido polilattico). L'aggiunta di additivo antimicrobico in nanocomposito di rame ai pellet a diverse concentrazioni consentono lo sviluppo di un filamento antimicrobico multiuso (PLACTIVE, Figura 1). Le caratteristiche ecocompatibili di questo filamento facilitano molteplici opzioni di riciclaggio, compresa la produzione di nuovi dispositivi medici antimicrobici. Il ciclo finale di questo filamento può essere classificato come una risorsa rinnovabile facilitata per semibiodegradazione dopo la durata del dispositivo e la riduzione delle proprietà antimicrobiche (compostaggio,Figura 1). Precedenti indagini hanno dimostrato che il filamento antimicrobico stampato in 3D potrebbe essere utilizzato per lo sviluppo di protesi antibatteriche funzionali ed efficaci per le dita. Le lesioni alle mani sono le più comuni tra gli astronauti nello spazio. Poiché le lesioni alla mano, come le ferite al maglio, potrebbero avere un impatto negativo sulle missioni spaziali. Maglio le lesioni delle dita si verificano quando la punta del dito viene compressa verso la mano. Mentre il dito è compresso, i legamenti che sostengono le articolazioni sono allungati. Queste lesioni possono portare a deformità permanenti che colpiscono la normale funzione manuale dei membri dell'equipaggio. Inoltre, sono previste anche procedure chirurgiche missioni spaziali di lunga durata, non è possibile fornire una piena capacità chirurgica a causa di massa, volume, abilità, servizi ausiliari e vincoli di costo e incertezze per quanto riguarda i disturbi chirurgici. Quindi, 3D la tecnologia di stampa potrebbe rivelarsi utile per la produzione in loco di strumenti chirurgici per spazi di lunga durata missioni (Figura 2). Precedenti indagini hanno dimostrato la capacità di stampare in 3D strumenti chirurgici efficaci sulla Terra con l'intento di fornire capacità chirurgiche per le missioni spaziali. Tuttavia, il problema principale con l'implementazione di questi dispositivi è la complessità dell'esecuzione delle procedure di sterilizzazione necessarie per minimizzare il rischio di contaminazione del dispositivo e sviluppo di infezioni. È possibile che lo sviluppo di antimicrobici materiali con maggiore resistenza e rigidità fornirebbero l'opportunità di esplorare lo sviluppo di durevoli strumenti chirurgici antimicrobici e prevenzione delle infezioni.


 

Figura 1. Processo di fabbricazione di dispositivi medici antimicrobici mediante stampa 3D antimicrobica biodegradabile filamento.

Figura 2. Esempi di dispositivi medici antimicrobici. (A) Strumenti chirurgici stampati in 3D antimicrobici. (B) Ortesi per dito antimicrobica.

Conclusione Lo sviluppo del filamento di stampa 3D antibatterico con capacità di termoformatura ha il potenziale di rivoluzionare la cura dei pazienti dei membri dell'equipaggio. Le potenziali applicazioni non si limitano ai soli dispositivi medici ma qualsiasi altro oggetto non medico critico per i membri dell'equipaggio, come i pannelli di protezione acustica. Dispositivi medici contenere le proprietà di eliminazione dei batteri eliminerà la necessità di tecniche di sterilizzazione che richiedono ulteriore spazio di trasporto che aumenta l'onere logistico complessivo per lo spazio conservato. L'accessibilità senza precedenti di Tecnologia di stampa 3D e implementazione del filamento di stampa 3D antibatterico per la produzione medica i dispositivi non sono solo fondamentali durante le missioni di volo spaziale, ma hanno un potenziale promettente per una vasta gamma di cliniche applicazioni sulla terra e sulle popolazioni civili che rivoluzionano l'assistenza ai pazienti. gruppo scientifico futuro 10.2217 / 3dp-2019-0001 Commento Zuniga e Thompson Prospettiva futura L'uso di materiali di stampa 3D antimicrobici, come i flessibili emergenti a base di poliuretano termoplastico materiali, svolgerà un ruolo importante nello sviluppo di scaffold ingegnerizzati e di altri tessuti molli compresi vasi sanguigni e pareti cardiache. Le loro applicazioni non saranno limitate agli astronauti nello Spazio Internazionale Stazione ma può anche essere usato per il personale militare sul campo di battaglia per la prevenzione delle infezioni associate con ferite da combattimento. Sterilizzazione e tecnologia biocida negli ospedali di supporto al combattimento e nelle emergenze le strutture di soccorso umanitario devono essere in grado di fornire una vasta gamma di dispositivi medici "su richiesta". Attualmente, la sterilizzazione dei dispositivi medici dipende dalle sterilizzatrici a flusso di grandi camere che introducono una significativa logistica fardello. Il trattamento del trauma sul campo di battaglia presenta la sfida logistica unica di fornire dispositivi medici sterili al personale medico. I vincoli di trasporto e fornitura limitano la quantità e la varietà dei dispositivi medici disponibili sul campo e le apparecchiature di sterilizzazione spesso non sono disponibili per supportare gli strumenti richiesti. C'è un necessità critica di sviluppare una materia prima per lo sviluppo di una varietà di dispositivi medici antimicrobici da affrontare gli attuali problemi della catena di approvvigionamento che coinvolgono l'assistenza medica in ambienti medici austeri. antimicrobica I materiali per la stampa 3D forniranno una soluzione interessante per risolvere questi problemi del mondo reale, specialmente austero ambienti.

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