R&D

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

Le tecnologie di stampa 3D potrebbero essere ampiamente utilizzate per produrre geometrie dettagliate basate su esigenze individuali e personalizzate. Alcune applicazioni sono legate alla produzione di dispositivi personalizzati, impianti (ortopedici e dentali), forme di dosaggio di farmaci (antibatterici, immunosoppressivi, antinfiammatori, ecc.) Alcuni impianti 3D contengono principi farmaceutici attivi, che favoriscono la proliferazione cellulare e la rigenerazione dei tessuti. Questa ricerca è focalizzata sulla generazione di oggetti a base di polimeri stampati in 3D che presentano proprietà antibatteriche.

Polimeri naturali o polimeri sintetici

 

Sono descritte di seguito 2 principali alternative per ottenere questi oggetti stampati in 3D.

Il primo utilizza polimeri naturali che, in alcuni casi, presentano già capacità antibatteriche intrinseche.

La seconda alternativa prevede l'uso di polimeri sintetici e sfrutta quindi polimeri con gruppi funzionali antimicrobici, nonché strategie alternative basate sulla modifica della superficie dei polimeri o sull'elaborazione di materiali compositi mediante l'aggiunta di determinati agenti antibatterici o l'integrazione di diversi farmaci nella matrice polimerica.

AM

Secondo gli standard dell'International Organization for Standardization / American Society for Testing and Materials (ISO / ASTM) (da un rapporto del Comitato tecnico F42), la produzione additiva (AM) è definita come "il processo di unione dei materiali per realizzare parti dal modello 3D dati, di solito, strato per strato ”

Negli ultimi anni, la comunità scientifica ha realizzato numerosi passi avanti nelle tecnologie AM, generando così un brusco cambiamento ed una rapida evoluzione nello sviluppo di questi metodi. Come menzionato da Campbell e Ivanova, AM è oggi ampiamente considerata una tecnologia dirompente che offre un nuovo paradigma per la progettazione e la produzione di ingegneria che potrebbe avere implicazioni economiche, geopolitiche, ambientali, di proprietà intellettuale e di sicurezza significative. L'uso di metodi di produzione additiva (AM), comunemente noti come stampa 3D, ha permesso la fabbricazione di una varietà infinita di dispositivi con vaste applicazioni in diversi campi; in particolare nell'area della bioingegneria.

Le metodologie di stampa 3D hanno permesso di creare strutture con architetture molto simili ai tessuti biologici, come ossa, cartilagini o valvole cardiache. Con la tecnologia AM, è possibile ottenere facilmente forme geometriche complesse in modo preciso. Inoltre, le crescenti richieste e applicazioni dell'ingegneria dei tessuti, dei dispositivi antimicrobici / anti-biofouling e della medicina rigenerativa, hanno spinto ricercatori a ricercare nuove tecnologie di produzione che possano risolvere la carenza di fornitura di tessuti o organi e i requisiti immunologici dei dispositivi impiantati. I campi della biomedicina, della fabbricazione degli alimenti, degli imballaggi traggono benefici incredibili dalla produzione additiva. Ad esempio, ci sono diversi esempi di dispositivi biomedici a base polimerica, inclusi fianchi artificiali e protesi di ginocchio o sistemi come valvole cardiache o persino innesti vascolari, che sono comunemente usati sia per migliorare la qualità della vita che, in alcuni casi, aumentare l'aspettativa di vita.

Ciononostante, un problema fondamentale ancora rimasto nell'impiego di materiali polimerici a scopi biomedici è legato alla contaminazione dei materiali da parte di un'ampia varietà di microrganismi. Questo problema è oggi un limite critico per i materiali standard prodotti. In particolare, nell'area biomedica, questo argomento è importante perché è altamente possibile che i batteri possano essere presenti nei pezzi, influenzando l'integrità dei dispositivi medici e dei prodotti sanitari. Un altro problema comune è associato alla contaminazione da microrganismi, che deve essere risolto in breve tempo, è la formazione di biofilm su strutture stampate in 3D. Comprendere la relazione tra la matrice extracellulare e la topografia 3D del materiale potrebbe essere fondamentale per descrivere i meccanismi di formazione della matrice, meccanosensing, rimodellamento della matrice e la modulazione delle interazioni cellula-cellula o cellula-matrice durante la formazione del biofilm, che consentirebbe un ulteriore passo verso la soluzione per evitare la formazione di biofilm.

 

In questo contesto, questa breve ricerca tenterà di descrivere brevemente i progressi più importanti e recenti nell'elaborazione di dispositivi e oggetti stampati in 3D antimicrobici.

Descriveremo brevemente i principi della produzione additiva e le basi dei polimeri antimicrobici. Le seguenti sezioni saranno dedicate alla descrizione di esempi illustrativi delle diverse strategie che sono state riportate per la fabbricazione di oggetti antimicrobici usando polimeri naturali, ma anche usando miscele di polimeri sintetici con agenti antimicrobici.

Per condurre una discussione approfondita sui polimeri antimicrobici utilizzati nelle metodologie AM, è importante menzionare prima alcuni dei tipi più comuni e le tecnologie AM innovative. Il comitato tecnico ASTM F42 definisce i criteri che sono stati impiegati per classificare le tecnologie AM in sette diverse categorie:

1. estrusione di materiale

2. fusione del letto di polvere

3. foto-polimerizzazione iva

4. getto di materiale

5. getti di legante

6. laminazione di fogli

7. deposizione di energia diretta

 

Mentre è vero che oggi esiste una grande varietà di materiali che vengono utilizzati in AM tra cui termoplastici, fotopolimeri, ceramiche e polveri metalliche, centreremo la nostra attenzione su quelle tecniche che impiegano esclusivamente materiali polimerici e compositi, e in particolare quelli che usano polimeri antimicrobici per applicazioni biomediche o biotecnologiche.

 

Tra questi metodi, l'estrusione di materiale, la fusione del letto di polvere e la fotopolimerizzazione in vasca sono le tecniche più comuni per creare dispositivi stampati in 3D e, di conseguenza, sono stati ampiamente impiegati in combinazione con compositi polimerici antimicrobici.

//Ci sono anche alcune tecnologie innovative che si basano su una o più delle tecnologie precedentemente menzionate. Una nuova metodologia è ad esempio quella riportata da Chang, che ha sviluppato una tecnica per la stampa 3D che è stata coniata con la stampa elettroidrodinamica (EHD), che si basa sull'applicazione di una corrente elettrica controllata attraverso una siringa che segue un percorso predeterminato strato per strato per formare una parte di stampa 3D . Un altro esempio interessante è quello riportato da Malinauskas al. dall'anno 2017, che ha sviluppato una metodologia di litografia laser ultra-veloce utilizzando un laser a femtosecondi per creare dispositivi micro-ottici (lenti) con chiarezza ottica e elevata resilenza. Inoltre, hanno dimostrato una procedura di pirolisi controllata come metodo per ridurre le parti stampate al fine di ottenere dimensioni più piccole senza compromettere la risoluzione della parte stampata. Malinauskas ottenuto un restringimento volumetrico del 40% rimuovendo i componenti organici delle loro parti stampate tramite pirolisi.

Allo stesso modo, il gruppo di Jeon ha sviluppato un metodo coniato per la stampa di interferenza 3D ad alta risoluzione, che si basa sul fenomeno delle interferenze ottiche con diffrazione limitata del campo vicino generata da reticoli binari conformi. Il vantaggio di questa metodologia è che comporta solo una singola fase di esposizione ultracorta. Il design della griglia conforme consente di controllare la geometria delle parti stampate, consentendo di ottenere dispositivi di stampa ad alta risoluzione in breve tempo. Un'altra metodologia simile che consente di ottenere dispositivi ad alta risoluzione di più materiali in una singola fase di esposizione è quella coniata dal gruppo di Hawker et al. [45] come Solution Mask Liquid Litography (SMaLL). In questo caso, le molecole fotocromatiche vengono utilizzate per controllare la cinetica di polimerizzazione attraverso fronti di sbiancamento coerenti, fornendo grandi profondità di indurimento e velocità di costruzione rapide senza la necessità di parti in movimento. L'accoppiamento di questi interruttori fotografici con alcune miscele di resine consente l'indurimento simultaneo e selettivo di più reti, fornendo accesso a parti stampate in 3D con domini distinti chimicamente e meccanicamente. Il gruppo di Watanabe et al. [46] hanno riportato un metodo innovativo per la stampa 3D basato su un raggio ionico al plasma. Hanno usato un fascio ionico focalizzato al plasma ad alta corrente (FIB) per generare sistemi microelettromeccanici personalizzati (MEMS). Questa metodologia consente di creare sensori di vibrazione MEMS capacitivi, che sono stati confrontati con le loro controparti fabbricati con metodi di litografia convenzionali. La differenza nella frequenza di risonanza misurata era piccola (meno del 4%), ma i tempi di fabbricazione sono stati ridotti di oltre l'80% usando questa metodologia. Esistono alcuni metodi di stampa innovativi che non sono direttamente collegati all'argomento di questa recensione (stampa 3D antimicrobica), ma meritano di essere menzionati per la loro originalità e nuove applicazioni; uno di questi è la cosiddetta stampa 3D del ghiaccio [47] sviluppata dal gruppo di Zhang et al., che utilizza questa tecnica per stampare array di microcapsule su diversi substrati per il rilevamento del bersaglio. Questo metodo di stampa consente di conservare le matrici di microcapsule in forma di ghiaccio prima dell'uso, garantendo la loro stabilità a lungo termine. Altri metodi, come quello riportato da Shear et al. [48], abilita la stampa 3D di comunità batteriche incapsulate in matrici polipeptidiche di forme e forme particolari e complesse. In questo articolo, gli autori hanno descritto una strategia che consente di stampare più popolazioni di batteri che potrebbero essere organizzate essenzialmente in qualsiasi geometria 3D, comprese colonie adiacenti, nidificate e fluttuanti. Il metodo di stampa funziona con una tecnica litografica laser che consente la formazione di contenitori microscopici attorno a batteri selezionati sospesi in gelatina tramite reticolazione focale delle molecole di polipeptidi citate in seguito.

Gli studi pionieristici sulle molecole antimicrobiche si sono concentrati principalmente sull'uso di sostanze a basso peso molecolare. Tuttavia, Boman ha scoperto che una particolare famiglia di peptidi, vale a dire i peptidi antimicrobici (AMP), erano candidati eccellenti per rimuovere i batteri gram-positivi e gram-negativi, nonché i funghi. Da questi rapporti iniziali gli AMP sono stati ampiamente studiati e una grande quantità di peptidi è stata segnalata, classificata e raccolta in un database di peptidi antimicrobici (APD).

Le indagini condotte in quel momento conclusero che una parte importante degli AMP presentava una caratteristica comune, cioè erano formati da una combinazione di amminoacidi con catene laterali polari e non polari, portando così a strutture anfifiliche. Le unità polari sono tipicamente formate da aminoacidi come lisina o acido glutammico e le parti non polari sono formate dall'incorporazione di aminoacidi come il triptofano. È stato dimostrato che questa caratteristica anfifilica gioca un ruolo chiave nell'interazione degli AMP con la membrana batterica ed è stata utilizzata come punto di partenza per sviluppare polimeri antimicrobici che imitano questa caratteristica polare / non polare. Di conseguenza, una varietà di polimeri sintetici con strutture chimiche e gruppi funzionali variabili sono stati impiegati per la preparazione di macromolecole antimicrobiche, in alcuni casi con un'efficace attività antimicrobica. In questa sezione, miriamo a sintetizzare brevemente le caratteristiche più rilevanti dei polimeri antimicrobici riportati, tenendo conto della loro struttura e funzionalità.

Matsuzaki ha proposto un elenco di quattro caratteristiche principali che un polimero antimicrobico dovrebbe avere per esibire un'efficace attività antimicrobica. Queste caratteristiche si basano sull'analisi della struttura della membrana batterica e dei meccanismi coinvolti nella rottura di questa membrana. Le quattro caratteristiche principali sono:

(a) in grado di stabilire un contatto sufficiente con i microrganismi

(b) il polimero dovrebbe avere abbastanza gruppi cationici in modo che possa verificarsi l'adesione alla cellula del microrganismo

(c) il polimero dovrebbe anche essere progettato con frazioni idrofobiche responsabili dell'attacco e dell'integrazione all'interno della membrana cellulare.

(d) il polimero deve uccidere selettivamente i microbi in presenza di altre cellule come quelle dei mammiferi.

Queste quattro principali caratteristiche iniziali sono state integrate con un'altra proposta da Kenawy, tenendo conto del meccanismo antibatterico e degli aspetti sintetici coinvolti nella fabbricazione del polimero. Quindi, questi autori hanno proposto che un modello di polimero antimicrobico dovrebbe anche:

(1) essere sintetizzato utilizzando strategie semplici ed economiche

(2) essere stabile per le applicazioni che in alcuni casi possono richiedere un utilizzo e una conservazione a lungo termine a una certa temperatura

(3) il polimero dovrebbe rimanere insolubile in soluzione acquosa

(4) non decomporre o rilasciare prodotti tossici e non deve essere tossico o irritante per gli utenti

(5) idealmente essere rigenerato, mantenendo la sua attività e, infine

(6) essere in grado di colpire diversi microrganismi patogeni in un periodo di tempo relativamente breve.

Negli ultimi anni, le parti stampate in 3D antimicrobico sono state oggetto di un'indagine approfondita a causa dell'ampia gamma di applicazioni, tra cui la rigenerazione dell'ingegneria dei tessuti ossei [84,85] per il trattamento delle fratture ossee [86], la fabbricazione di dispositivi biomedici in grado di prevenire la formazione di biofilm [ 8], la fabbricazione di medicazioni per ferite [87] o la fabbricazione di impalcature, solo per citarne alcune [88]. Indipendentemente dall'applicazione, al fine di fornire attività antimicrobica o antibatterica a una parte stampata in 3D, possono essere impiegate diverse strategie alternative, tra cui l'uso di materiali polimerici antimicrobici, l'incorporazione e il rilascio di agenti antimicrobici o l'introduzione di una funzionalità antibatterica attraverso la modifica superficiale della parte [89]. Come verrà rappresentato, sia i polimeri naturali che quelli sintetici sono stati impiegati per fabbricare parti 3D antimicrobiche. Inoltre, sono stati riportati non solo materiali polimerici ma anche compositi, cioè materie prime che presentano caratteristiche antibatteriche o compositi polimerici che vengono miscelati con composti battericidi per creare materiali antibatterici.

Polimeri antimicrobici per FDM I termoplastici antimicrobici o l'elaborazione di miscele di termoplastici con agenti antimicrobici è un approccio diretto per preparare filamenti antimicrobici che possono essere impiegati in FDM. Ad esempio, hanno caratterizzato le proprietà fisico-chimiche dei materiali stampati utilizzando materiali termoplastici caricati con agenti antimicrobici. Più precisamente, hanno usato un materiale di alimentazione PLA sviluppato su misura contenente nitrofurantoina (NF) come farmaco antimicrobico (10%, 20% o 30%) con e senza l'aggiunta del 5% di idrossiapatite (HA) nei filamenti di polilattide. Questa miscela è stata utilizzata come materia prima per il processo di stampa 3D . La Figura 11b mostra immagini SEM dell'estruso e materiali 3D in cui la morfologia superficiale è fortemente dipendente dalla composizione, vale a dire, un campione con un carico di farmaco più elevato (30%) aveva una superficie apparentemente più ruvida rispetto a quelli con un contenuto di farmaco inferiore basato su osservazioni visive. I risultati hanno indicato che il caricamento e il rilascio di NF dalle matrici di PLA stampate hanno mostrato un aumento del rilascio accumulato dopo aver aumentato il caricamento del farmaco. Inoltre, i materiali hanno mostrato resistenza all'adesione batterica e alla formazione di biofilm per un periodo di sette giorni. Questa ricerca dimostra il potenziale di materie prime su misura caricate con farmaci per la stampa 3D di prodotti farmaceutici per il rilascio controllato. Studi simili condotti da Sandler et al. riportato la possibilità di incorporare NF nella matrice PLA in 5:95 (p / p) NF: PLA; questo nuovo materiale ha favorito una riduzione dell'85% della formazione di biofilm sulle geometrie stampate in 3D nell'arco di 18 ore.

(a) Immagini estruse e stampate in 3D e (b) immagini SEM di geometrie estruse e stampate in 3D. Riprodotto con il permesso di Ref. [96].
Informazioni tradotte ed immagini tratte da:
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6429148/#B8-ijms-20-01210
In un recente studio, Mills et al. [97] hanno riportato la citocompatibilità, le proprietà meccaniche e antimicrobiche delle perle di poli (metilmetacrilato) (PMMA) e poli (acido lattico) (PLA) stampate in 3D caricate con una quantità calcolata di farmaco in forma in polvere, vale a dire gentamicina solfato ( GS). In questo studio, hanno dimostrato che tutti gli antibiotici che sono stati studiati sono stati drogati con successo in PMMA e in PLA, e perline, dischi e filamenti stampati in 3D drogati con antibiotici sono stati facilmente stampati da FDM. È stata anche dimostrata la capacità di inibizione della crescita dei costrutti stampati in PMMA 3D caricati con antibiotici. I filamenti di PLA drogati con gentamicina all'1% e 2,5% in peso e i filamenti di PMMA sono stati testati su piastre batteriche (Figura 5). Come illustrato nella Figura 12, quei filamenti senza GS non mostravano alcuna inibizione, mentre sia il PLA che il PMMA presentavano una zona di inibizione di circa 23 mm.
Filamenti di poli (acido lattico) (PLA) e poli (metilmetacrilato) (PMMA) di A. gentamicina solfato (GS). (A) 2,5% in peso di filamento di PLA di gentamicina; (B) Controllo del filamento PLA; (C) Controllo del filamento di PMMA; (D) 2,5% in peso di filamento di PMMA con gentamicina. B. (a – c) 1% in peso di filamento di PLA di gentamicina; (d) 1% in peso di filamento di PMMA con gentamicina. Riprodotto con il permesso di Ref. [97].
Un altro esempio interessante è quello riportato dal gruppo di Wang et al. [42], che hanno fabbricato cerotti usando le tecnologie AM di policaprolattone (PCL) e polivinil pirrolidone (PVP). Le parti sono state anche caricate con farmaci antibiotici (tetraciclina cloridrato, TE-HCL) durante la procedura di stampa. Un'interessante tecnica di stampa è stata utilizzata per fabbricare le patch, la cosiddetta tecnica elettroidrodinamica (EHD), che si basa sull'applicazione di una corrente elettrica attraverso un ugello che si sposta su un particolare percorso per formare una parte di stampa 3D strato dopo strato strato (Figura 11a). Questa tecnica è molto simile all'elettrospinning o alla tecnica electrospray, ma utilizza tensioni e correnti molto più basse per creare le fibre. FTIR ha dimostrato il successo dell'incapsulamento TE-HCL nel materiale stampato. Le patch preparate usando PVP e TE-HCL hanno mostrato una maggiore idrofobicità rispetto alle altre. Inoltre, sono stati eseguiti test meccanici di trazione uniassiali sui diversi materiali; le parti stampate presentavano cambiamenti nelle loro proprietà meccaniche derivanti da parametri di stampa come l'orientamento del puntone fibroso, la dimensione variabile dei pori tra puntoni e la larghezza del film. Il rilascio di antibiotici dalle forme di dosaggio di PCL-PVP è stato mostrato per cinque giorni ed è stato più lento rispetto al PCL o PVP puro; inoltre, la dimensione del vuoto del cerotto stampato ha influenzato il comportamento del rilascio di antibiotici (Figura 13 b-d).
(a) Descrizione schematica della tecnica elettroidrodinamica (EHD). Immagini SEM di cerotti policaprolattone (PCL) / polivinil pirrolidone (PVP) caricati con farmaci a intervalli di tempo selezionati per lo studio di rilascio in vitro. (b) a 30 minuti; (c) a 60 min; e (d) a 90 min. Riprodotto con il permesso di Ref. [42].
Modifica della superficie (modellatura e funzionalizzazione) di parti stampate in 3D Un'ulteriore alternativa alla fabbricazione di parti stampate in 3D con proprietà antimicrobiche prevede la modifica della superficie della parte con agenti antimicrobici. In questo contesto, una strategia illustrativa di questo approccio è stata recentemente riportata da Vargas-Alfredo et al. [98] che hanno segnalato una strategia che combina l'uso di polistirene ad alto impatto (HIPS) per fabbricare parti 3D con metodologie di funzionalizzazione superficiale per fornire oggetti 3D antimicrobici. I ponteggi sono stati inizialmente fabbricati da FDM utilizzando filamenti HIPS disponibili in commercio. Quindi, la superficie dell'oggetto è stata modificata, generando parti 3D con una particolare strategia che consente di controllare simultaneamente la chimica della superficie e la topografia. In particolare, gli autori hanno utilizzato l'approccio delle figure del respiro (BF). La strategia BF prevede l'immersione dell'impalcatura in una soluzione polimerica per un breve periodo (secondi). È stato riferito che il tempo di immersione è direttamente correlato alla dimensione dei pori e aiuta anche a migliorare il legame degli strati stampati in 3D. I risultati della ricerca hanno dimostrato che la combinazione di BF e trattamento della superficie bagnata è un approccio interessante per controllare la microtopografia di superficie (dimensione dei pori) e la funzionalità di superficie (un tipo di gruppo funzionale e distribuzione) di oggetti stampati in 3D [98]. Le parti stampate in 3D sono state fabbricate tramite FDM utilizzando filamenti di polistirene commerciale. La struttura porosa 3D è stata ottenuta mediante evaporazione del solvente da una soluzione polimerica: polistirene ad alto peso molecolare (da 0 a 30 mg / mL) disciolto in cloroformio e condensazione di goccioline d'acqua all'interfaccia solvente / aria che si verificano in un'atmosfera umida. Questa procedura è stata eseguita in una camera chiusa con un'umidità relativa satura a temperatura ambiente a tempi di reazione diversi (da uno a cinque secondi). I risultati hanno dimostrato che la riduzione della soluzione polimerica ha prodotto una superficie con pori più piccoli, il che è un effetto correlato alla viscosità della miscela di reazione. Inoltre, un tempo di evaporazione maggiore ha prodotto finalmente pori con dimensioni dei pori superiori alla media. Successivamente, la modifica chimica superficiale è stata effettuata per immersione delle parti nella soluzione di acido clorosulfonico reattivo a 20 ° C a diversi tempi di reazione (da 0 a 10 minuti).
Ancora più interessante, usando soluzioni polimeriche comprendenti miscele di PS e PS-b-PAA (PS23-b-PAA18) e un PS-b-poli quaternizzato (dimetilamminoetil metacrilato) (PS42-b-PDMAEMA17), è stato possibile simultaneamente chimicamente modificare la superficie dell'impalcatura e quindi consentire l'incorporazione di gruppi funzionali antimicrobici (Figura 14). Infine, è stata studiata la risposta biologica degli scaffold modificati in superficie contro i batteri. Le superfici porose preparate con PDMAEMA quaternizzato e quelle preparate con PAA come componente principale conferiscono attività antimicrobica alle parti stampate in 3D, consentendo di uccidere i batteri di S. aureus a contatto. Va detto che questi supporti funzionali sono attualmente valutati per la fabbricazione di dispositivi funzionali come tubi biocompatibili / antivegetativi, viti per chirurgia riparativa o impalcature in cui il supporto cellulare delle interazioni può essere migliorato sintonizzando finemente le proprietà della superficie (chimica e struttura) [99].
A sinistra: modello CAD 3D dell'impalcatura selezionato per la fabbricazione mediante modellazione a deposizione fusa (FDM). Al centro: immagini SEM della superficie dell'impalcatura che rivelano la struttura a strati ottenuta tramite FDM ma anche la formazione di micropori. A destra: effetto della composizione chimica sulle proprietà antimicrobiche della parte stampata in 3D. In alto, senza il gruppo funzionale antimicrobico, e in basso, con il gruppo funzionale antimicrobico. Riprodotto con il permesso di Ref. [99].

Compositi polimerici stampati con capacità antibatteriche Infine, i compositi polimerici sono stati esplorati anche per la preparazione di parti stampate in 3D antimicrobiche. Questi composti sono stati fabbricati usando grafene [100] metalli come zinco, rame o argento [87.101.102] e TiO2 [103] tra gli altri. Un buon esempio di questa strategia è stato descritto da Advincula et al. [100], che mescolava un poliuretano termoplastico (TPU), un poli (acido lattico) (PLA) e un ossido di grafene (GO), un materiale che è noto per essere un eccellente agente antimicrobico che potrebbe anche migliorare le proprietà meccaniche di la parte stampata finale. In questo articolo, la metodologia FDM è stata utilizzata per stampare strutture complesse. Per generare il filamento FDM, il TPU è stato sciolto in dimetilformammide (DMF), nonché nel nanocomposito GO; parallelamente, il PLA è stato sciolto in diclorometano (DCM). Quindi, le tre soluzioni sono state mescolate sotto agitazione durante la notte; quindi, il materiale polimerico-composito è stato precipitato in alcool ed essiccato a 40 ° C sotto vuoto. Infine, il precipitato risultante è stato fuso in un estrusore per formare il filamento FDM. Secondo le proporzioni di TPU e PLA, il materiale potrebbe avere caratteristiche elastiche, che sono state testate tramite esperimenti di trazione meccanica e compressione. L'aggiunta di GO ha notevolmente migliorato le proprietà meccaniche della matrice polimerica del 167% in un modulo di compressione e del 75,5% in un modulo di trazione. I filamenti con diversi carichi GO sono stati testati come materiali antimicrobici e biocompatibili attraverso studi live / dead. La Figura 15 mostra uno schema di fabbricazione di filamenti di FDM e alcuni risultati di test in vivo / morti su colture cellulari. Le immagini di fluorescenza nella Figura 15 dimostrano che nessuno dei campioni mostrava cellule morte, il che indica un alto livello di biocompatibilità del materiale, dimostrando così che l'aggiunta di GO non ha un'evidente tossicità per la crescita cellulare e una piccola quantità di GO è benefica per le cellule proliferazione.

a) Schematic description of FDM filament formation. Also, images of thermoplastic polyurethane (TPU)/poly(lactic acid) (PLA)/graphene oxide (GO) printed parts are shown. Green fluorescence images of cellular live/dead tests of the samples with different GO loads: (b) 0.5 wt%; (c) 2 wt%; and (d) 5 wt%. Reproduced with permission from Ref. [100].

Muwaffak et al. [87] ha studiato l'uso di metalli antimicrobici come zinco, rame e argento incorporati in un polimero approvato dalla FDA (Food and Drug Administration) (policaprolattone o PCL) per produrre filamenti per la stampa 3D (Figura 16a). La scansione 3D è stata utilizzata per costruire modelli 3D di naso e orecchio per offrire l'opportunità di personalizzare la forma e le dimensioni di una medicazione per un singolo paziente (Figura 16b). Sperimentalmente, questa ricerca si basava sulla formazione di un filamento composto da diverse concentrazioni di metallo, il cui rilascio è stato studiato mediante spettroscopia di emissione atomica al plasma accoppiata induttivamente. La morfologia superficiale e una sezione trasversale del filamento sono state ottenute mediante analisi SEM. Inoltre, il possibile legame dei metalli con la matrice PCL è stato studiato mediante spettri FTIR. L'efficacia antibatterica della medicazione è stata testata contro S. aureus. Per eseguire questo tipo di studio, è stata creata una medicazione circolare utilizzando Tinkercard, che è uno strumento di progettazione e modellazione 3D basato su browser. Secondo questi risultati, la medicazione in argento e rame aveva le più potenti proprietà battericide.

(a) Metal-loaded filaments and (b) 3D scan of a nose to create a designed wound dressing. Reproduced with permission from Ref. [87].

Allo stesso modo, Tiimob et al. [101] ha studiato l'effetto di diverse proporzioni di guscio d'uovo / argento (ES-Ag) sulla microstruttura, proprietà termiche, di trazione e antimicrobiche di 70/30 poli (butilene-co-adipato-tereftalato) / acido polilattico (PBAT / PLA ). Inoltre, è stata studiata anche la cinetica di rilascio delle nanoparticelle di Ag (NP) dai film. I film sottili sono stati preparati utilizzando estrusione a caldo e stampa 3D per test meccanici e antimicrobici. La valutazione in vitro dell'attività antimicrobica di questi film condotta su batteri L. monocytogenes e S. Enteritidis a due diverse concentrazioni ha rivelato che il film composito di miscela presentava effetti batteriostatici, dovuti ai nanomateriali immobilizzati ES-Ag nella matrice di miscela. Tuttavia, questi non sono stati rilasciati in acqua distillata o petto di pollo dopo 72 ore e 168 ore di esposizione, rispettivamente. Zuñiga [102] ha sviluppato una protesi stampata in 3D usando filamenti antibatterici, verificandone le proprietà per uccidere alcuni batteri. L'autore ha indicato che queste informazioni sono rilevanti per l'implementazione di protesi stampate in 3D come protesi post-operatorie o transitorie. La Figura 18a mostra un paziente con un dito indice traumatico sulla falange prossimale. Nella Figura 18b, c, il paziente è stato dotato di una protesi da dito antibatterica stampata in 3D e successivamente ha eseguito il Box and Block Test di destrezza grossolana manuale (Figura 18d). S. aureus ed E. coli sono stati scelti per testare la capacità antibatterica del materiale, poiché questi ceppi di batteri sono le principali cause di una varietà di infezioni acquisite in casa e acquisite in ospedale. La protesi è stata eseguita utilizzando PLACTIVETM (additivo antibatterico all'1% di nanoparticelle, rame 3D, Santiago del Cile), che è un polimero di acido polilattico di alta qualità. Il risultato principale di questa ricerca è stato di dimostrare che il filamento antibatterico orientato al 3D può essere efficacemente utilizzato per le protesi e che le loro proprietà antibatteriche dopo l'estrusione non sono state influenzate.

(A) Research participant with an index finger amputation. (B) 3D printer finder prothesis using PLACTIVETM antibacterial 3D filament. (C) Patient using the antibacterial 3D finger prosthesis; and (D) Patient performing the Box and Block Test. Reproduced with permission from Ref. [102].

La presente indagine ha scoperto che l'acido polilattico con additivi all'1% di nanoparticelle di rame aveva un'efficacia fino al 99,99% contro S. aureus ed E. coli dopo un periodo di incubazione di 24 ore. Vai a: 9. Conclusioni In questa recensione, abbiamo tentato di fornire una panoramica generale sullo stato dell'arte nella preparazione di oggetti antimicrobici fabbricati dalla produzione additiva. Abbiamo descritto prima i principi principali delle tecnologie AM attualmente impiegate, nonché l'evoluzione di queste tecnologie, incluso il grande impatto che questa tecnologia ha avuto nella società. Dopo questa breve descrizione, abbiamo discusso i principali polimeri antimicrobici, inclusi i gruppi funzionali che forniscono risposta antimicrobica, nonché i parametri macromolecolari coinvolti nella risposta antimicrobica. Abbiamo discusso delle alternative che sono state segnalate per fabbricare parti antimicrobiche 3D, a seconda della fonte dei polimeri impiegati (naturali o sintetici), nonché della strategia impiegata per introdurle in parti stampate in 3D (che sono state collegate covalentemente se si sono comportate come monomeri in una fotopolimerizzazione, come additivi o semplicemente per funzionalizzazione superficiale). Infine, è stata rivista anche l'elaborazione di compositi che coinvolgono una matrice polimerica e cariche tra cui grafene o ossido di metallo / metallo. Le tecnologie di stampa 3D hanno consentito la preparazione di geometrie personalizzate con una vasta gamma di potenziali applicazioni che vanno dalla medicazione, protesi, pezzi dentali o protesi totale. Tutte queste applicazioni biomediche possono senza dubbio trarre vantaggio dall'incorporazione di polimeri antimicrobici e additivi che riducono il rischio di infezione da microrganismi.

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