Il ruolo della produzione additiva e dei polimeri antimicrobici nella Pandemia di coronavirus COVID-19

Dato che la pandemia COVID-19 persiste: stampa 3D con polimeri antimicrobici

“La produzione additiva (ovvero la stampa 3D) è posizionata in modo univoco per supportare la carenza di dispositivi medici critici.”

COVID-19 potrebbe a malapena registrarsi sul tuo radar solo pochi mesi fa; tuttavia, ora in qualche modo tutto sembra applicabile per affrontare la vita durante una pandemia – e l’industria manifatturiera additiva non fa eccezione, evidenziata dal lavoro recentemente pubblicato di Jorge M. Zuniga e Aaron Cortes, ” Il ruolo della produzione additiva e dei polimeri antimicrobici nel Pandemia di COVID-19 “.

I ricercatori dell’Università del Nebraska a Omaha sono preoccupati per un rischio per la salute che ha già fatto una storia significativa come una delle malattie contagiose più mortali da colpire, in tutto il mondo. Poiché la necessità di forniture mediche e un elenco di dispositivi che possono essere critici per l’esito dei pazienti continua ad aumentare di fronte alla carenza, gli autori si concentrano sulle preoccupazioni della FDA che in effetti potrebbe esserci un grave impatto sulla catena di fornitura di prodotti medici.

Mentre in alcuni casi possono rimanere dubbi sull’uso di materiali adeguati, la stampa 3D è già stata portata alla ribalta nella produzione di articoli come ventilatori open-source , parti come adattatori e collettori per ventilatori , filtri metallici riutilizzabili per maschere e altro ancora. La scienza dei materiali ha continuato a rappresentare un enorme quoziente nella progressiva marcia in avanti della stampa 3D e della produzione additiva, ma poiché la crisi COVID-19 ha fermato molto nel mondo, l’uso dei materiali in relazione alla stampa 3D è un’area questo deve essere esplorato – e così rapidamente.

Meccanismi teorici per il migliorato comportamento antimicrobico dei polimeri di fabbricazione additiva. (a) Le nanoparticelle di rame su una struttura polimerica presentano un effetto antimicrobico più forte rispetto alle microparticelle o alle superfici metalliche. I polimeri antimicrobici facilitano il processo di attacco del microrganismo sulla superficie del polimero innescando la diffusione dell’acqua attraverso la matrice polimerica. L’acqua con ossigeno disciolto raggiunge la superficie delle nanoparticelle metalliche incorporate consentendo processi di dissoluzione o corrosione rilasciando ioni metallici; gli ioni metallici raggiungono la superficie composita danneggiando la membrana batterica. Successivamente, gli ioni metallici possono diffondersi all’interno del microrganismo. (b) I meccanismi antimicrobici delle nanoparticelle di rame consistono nel produrre danni alla membrana cellulare attraverso gli ioni rame che danneggiano l’acido grasso polinsaturo compromettendo la struttura della membrana cellulare e producendo perdite di soluti cellulari mobili con conseguente morte cellulare. Il ciclo redox tra Cu2 + e Cu1 + può catalizzare la produzione di radicali idrossilici altamente reattivi, che possono successivamente danneggiare i lipidi delle membrane cellulari, le proteine, il DNA, l’RNA e altre biomolecole. Una volta che il rame e i radicali idrossilici associati sono all’interno della cellula, produce denaturalizzazione del DNA che danneggia le strutture elicoidali. Il rame inoltre danneggia e altera le proteine ​​che agiscono come inattivatori proteici tramite l’RNA, utili per disattivare un’ampia gamma di virus. Il ciclo redox tra Cu2 + e Cu1 + può catalizzare la produzione di radicali idrossilici altamente reattivi, che possono successivamente danneggiare i lipidi delle membrane cellulari, le proteine, il DNA, l’RNA e altre biomolecole. Una volta che il rame e i radicali idrossilici associati sono all’interno della cellula, produce denaturalizzazione del DNA che danneggia le strutture elicoidali. Il rame inoltre danneggia e altera le proteine ​​che agiscono come inattivatori proteici tramite l’RNA, utili per disattivare un’ampia gamma di virus. Il ciclo redox tra Cu2 + e Cu1 + può catalizzare la produzione di radicali idrossilici altamente reattivi, che possono successivamente danneggiare i lipidi delle membrane cellulari, le proteine, il DNA, l’RNA e altre biomolecole. Una volta che il rame e i radicali idrossilici associati sono all’interno della cellula, produce denaturalizzazione del DNA che danneggia le strutture elicoidali. Il rame inoltre danneggia e altera le proteine ​​che agiscono come inattivatori proteici tramite l’RNA, utili per disattivare un’ampia gamma di virus.

“I progressi nelle tecniche di produzione additiva e lo sviluppo di polimeri antimicrobici offrono la possibilità di stampare e personalizzare una vasta gamma di dispositivi medici. Il limite critico per l’uso di materiali polimerici per la produzione aggiuntiva di dispositivi medici critici è la contaminazione del materiale da parte di batteri e virus ”, spiegano Zuniga e Cortes.

“Numerosi sforzi internazionali, come Open Source COVID19 Medical Supplies Group (International) e Hack the Pandemic (Copper3D Inc) hanno fatto progressi significativi utilizzando la produzione additiva per sviluppare dispositivi medici critici.”

Mentre continuano gli studi per l’uso di materiali diversi, sicuri ed efficaci, il rame è stato esplorato come fonte praticabile, insieme ai nanocompositi di rame per l’aggiunta di proprietà antimicrobiche. Il PLA è il polimero più spesso ricercato per compatibilità ed efficacia con gli additivi. Realizzato con sottoprodotti vegetali, può anche essere importante per “assistere in modo significativo” il flusso della catena di approvvigionamento dei prodotti medici – attualmente si verificano interruzioni che hanno fatto molti titoli per quanto riguarda la mancanza di attrezzature per i professionisti medici e dispositivi necessari come i ventilatori per pazienti.

Precedenti studi hanno dimostrato che il rame potrebbe persino essere più efficace dell’acciaio inossidabile, respingendo il virus in termini di vitalità e offrendo “decadimento previsto e riduzione dell’emivita”. I dati hanno mostrato che dopo l’esposizione al rame, “la riduzione dell’emivita mediana del virus COVID-19 si è verificata a 0,774 ore (CI = 0,427-1,19) e dopo 4 ore non è stato misurato alcun virus COVID-19 praticabile”.

L’acciaio inossidabile ha mostrato una riduzione dell’emivita mediana a 5,63 ore (CI = 4,59–6,86) con virus vitale rilevato fino a 72 ore, mentre il polipropilene ha mostrato una riduzione dell’emivita media a 6,81 (CI = 5,62–8,17) ore con vitale il virus ha anche rilevato fino a 72 ore.

“Lo sviluppo di un polimero antimicrobico affettivo per la produzione additiva sembra sempre più critico a causa dell’ampio uso di polimeri nella prototipazione di dispositivi medici critici”, hanno affermato gli autori.

I problemi con la sterilizzazione delle parti stampate in 3D sono una preoccupazione continua, provocando una sfida nell’ulteriore sviluppo di dispositivi medici. Con l’introduzione dei termoplastici antimicrobici, le nanoparticelle di rame sono integrate nelle matrici dei materiali, offrendo più effetto delle microparticelle o delle superfici metalliche. La necessità di tali polimeri dovrebbe essere enorme, con i processi AM che offrono il serio potenziale per soddisfare una catena di approvvigionamento che potrebbe essere in declino basandosi sui metodi di produzione tradizionali.

Dispositivi come i ventilatori, nonché accessori e parti periferici, possono essere personalizzati per l’uso, con design innovativi che offrono una maggiore efficienza, nonché eliminando problemi come le perdite d’aria.

“Nelle situazioni critiche in cui i medici devono prendere decisioni sulla vita o sulla morte a causa della mancanza di un ventilatore, l’uso della produzione additiva fornirebbe un’alternativa fattibile per condividere l’uso di un singolo ventilatore”, hanno affermato gli autori.

Dato che un ventilatore potrebbe effettivamente essere trasformato in un dispositivo multi-paziente in momenti di estrema necessità, ricerche precedenti hanno indicato sfide nella progettazione efficiente dei connettori:

“I principali limiti dell’utilizzo di un connettore personalizzato assemblato con diversi pezzi di connessione è l’incapacità di ridurre le dimensioni del connettore per ridurre al minimo il volume di spazio morto”, hanno affermato gli autori. Inoltre, la riproposizione dei connettori di altri dispositivi medici può provocare perdite d’aria e complicazioni infettive dalla condivisione di un ventilatore. “

“L’uso di polimeri antimicrobici può facilitare la prototipazione e i test clinici di questi connettori con l’obiettivo di accelerare la produzione del prodotto finale usando metodi di produzione convenzionali, come lo stampaggio ad iniezione. La produzione finale di questi connettori potrebbe espandere efficacemente l’uso di una singola macchina per ventilare quattro adulti simulati con insufficienza respiratoria dovuta a COVID-19 “.

Le maschere riutilizzabili potrebbero anche essere stampate in 3D, eliminando gli sprechi rispetto all’uso di maschere monouso, oltre a offrire i vantaggi di una superficie antimicrobica per una minore trasmissione di germi agli operatori sanitari e ai pazienti.

Il processo di fabbricazione di dispositivi medici critici antimicrobici utilizzando un polimero antimicrobico. Il processo inizia con la fermentazione del mais (dal mais
all’acido lattico), la condensazione (lattosio) e la polimerizzazione (acido polilattico; PLA). L’aggiunta dell’additivo nanocomposito di rame ai pellet a diverse concentrazioni consente lo sviluppo di un filamento antimicrobico multiuso. Le caratteristiche riciclabili di questo filamento facilitano la produzione di nuovi dispositivi medici antimicrobici in ambienti austeri.

“L’uso di metodi e materiali di fabbricazione additivi più sofisticati, come la sinterizzazione laser selettiva e i polimeri termoplastici in polvere con poliammide 12 incorporati con composito di nanoparticelle di rame migliorerebbero significativamente la durabilità facilitando l’implementazione di dispositivi medici antimicrobici in contesti clinici”, ha concluso lo studio con un opinione di un esperto.

“È possibile che entro un periodo di 5 anni, la produzione additiva e l’uso di polimeri antimicrobici svolgeranno un ruolo cruciale nello sviluppo su richiesta e nell’implementazione di dispositivi medici critici antimicrobici in contesti clinici.”

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