Sviluppo di biomateriali a base di zinco tramite stampa 3D
Un gruppo di ricerca guidato dalla Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, in collaborazione con varie istituzioni, ha esplorato le potenzialità della manifattura additiva (AM) per produrre impianti medici biodegradabili in lega di zinco. L’obiettivo è realizzare dispositivi temporanei capaci di dissolversi nell’organismo dopo aver svolto la loro funzione, eliminando il rischio di ritenzione a lungo termine di metalli e la necessità di interventi chirurgici per la loro rimozione.
Perché il zinco è un candidato interessante
Il cinetismo di degradazione del zinco si colloca tra quello del magnesio (più rapido) e del ferro (più lento), risultando ideale per la bioresorbibilità in tempi compatibili con i processi di rigenerazione ossea. Oltre a queste caratteristiche, il zinco possiede proprietà antibatteriche intrinseche e favorisce la proliferazione cellulare osteogenica. Tradizionalmente, la produzione di strutture porose in zinco tramite metodi convenzionali si è scontrata con difficoltà legate alla lavorabilità del materiale, ma la stampa 3D offre la flessibilità necessaria per creare geometrie complesse e scaffolds personalizzati.
Tecnologie di stampa adottate: SLM e Binder Jetting
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Selective Laser Melting (SLM): utilizzando polveri di zinco puro, il laser fonde selettivamente gli strati per costruire una rete porosa. Gli autori hanno dovuto modulare parametri quali potenza del fascio, velocità di scansione e ambiente inerte, per ridurre l’evaporazione del metallo e prevenire la formazione di pori eccessivi dovuti al fenomeno del keyholing. I campioni ottenuti hanno mostrato resistenze a compressione paragonabili a quelle dell’osso trabecolare e una struttura di pori interconnessi, utile a favorire la vascolarizzazione e la migrazione cellulare.
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Binder Jetting: questo approccio prevede la deposizione di un legante su un letto di polvere di ossido di zinco, seguita da fasi di sinterizzazione e riduzione chimica per ottenere la forma metallica. Pur introducendo sfide come il ritiro volumetrico e difetti da sinterizzazione, il Binder Jetting ha permesso di realizzare componenti a maggiore risoluzione e densità ridotta, adatti a impianti meno sollecitati dal punto di vista meccanico.
Personalizzazione e controllo dei tempi di degrado
Grazie all’AM, è possibile progettare impianti su misura – dal formato della griglia interna allo spessore dei setti – in modo da calibrare con precisione la velocità di dissoluzione del dispositivo. Gli autori suggeriscono che la lega di zinco potrebbe essere ulteriormente arricchita con elementi come magnesio, calcio o argento, al fine di migliorare la lavorabilità, le caratteristiche meccaniche e il comportamento in ambiente biologico.
Valutazioni in vitro e proprietà antibatteriche
I prototipi in zinco prodotti sono stati sottoposti a test di citocompatibilità, registrando adesione e proliferazione cellulare in vitro. Inoltre, su colture di Staphylococcus aureus ed Escherichia coli sono state osservate percentuali di mortalità batterica significative, confermando l’attività antimicrobica del materiale anche dopo diversi giorni di immersione in soluzione fisiologica.
Prospettive di applicazione clinica
I risultati indicano che gli impianti in zinco stampati in 3D possono trovare impiego come fissatori ossei temporanei, scaffold portanti nei difetti critici e stent biodegradabili. L’AM offre inoltre la possibilità di integrare dati anatomici del paziente per ridurre i tempi di intervento e migliorare il recupero post-operatorio. Per rendere accessibili questi dispositivi su scala clinica, sarà necessario procedere a studi in vivo e sviluppare leghe ottimizzate per modulare con precisione il degrado e le interazioni biologiche.
Altri esempi nel settore
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Delft University of Technology ha sperimentato la stampa a estrusione di impianti in ferro poroso, superando il basso tasso di degradazione del metallo attraverso strutture reticolari che accelerano la bioresorbibilità e sostengono la formazione ossea.
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RWTH Aachen University ha prodotto reticoli carichi di leghe zinco-magnesio con Laser Powder Bed Fusion, finalizzati ad applicazioni craniomaxillofacciali, calibrando la percentuale di magnesio per bilanciare resistenza meccanica e velocità di dissoluzione.
