In passato, l’odontoiatria tradizionale ha sempre usato materiale inerte, pensato per non interagire con il cavo orale e non presentare cambiamenti nel tempo in termini di struttura e proprietà. Oggi, la ricerca interdisciplinare si sta attualmente concentrando su materiali in grado di subire modifiche nella loro struttura e svolgere un ruolo attivo in bocca. Alcuni di questi materiali, noti come materiali “smart” (SM) o “(stimoli-) reattivi” (SRM), hanno un’alta capacità di reagire in base a cambiamenti ambientali o a stimoli esterni.
L’effetto memoria di forma è definito come la capacità dei materiali di essere deformato e fissato in una forma temporanea o dormiente, che rimane stabile fino a quando il materiale non viene nuovamente esposto a uno stimolo appropriato. Tra gli SM, i cosiddetti “materiali a memoria di forma” (o shape-memory) sono di grande interesse per le numerose applicazioni in campo dentale. L’introduzione dei polimeri a memoria di forma (SMP) ha esercitato grande attrattiva grazie a diversi vantaggi come: capacità di deformazione elastica, basso costo, bassa densità (che si traduce in leggerezza), facilità di produzione e lavorazione, proprietà fisiche su misura, eccellente stabilità chimica, biocompatibilità e persino biodegradabilità.
Il concetto di memoria di forma è correlato ai materiali metallici, perché i primi esempi di questa proprietà sono stati ottenuti dalle leghe metalliche. Le leghe a memoria di forma (SMA) sono materiali composti da due o più elementi metallici che presentano effetti di memoria di forma (PMI) attraverso la termoelasticità e le trasformazioni di fase martensitiche e le loro inversioni. Le leghe a memoria di forma sono i materiali con le migliori prestazioni di memoria di forma tra i materiali a memoria di forma.
Le leghe a base di nichel-titanio, in particolare il Nitinol binario (NiTi) con composizione quasi equiatomica (50 at.% Ni-Ti), costituiscono la pietra miliare delle SMA medicali grazie alla loro superelasticità intrinseca (∼8% di recupero della deformazione) e alla memoria di forma attivata termicamente. Le proprietà uniche delle leghe di nichel-titanio derivano dalla trasformazione di fase reversibile tra la fase austenitica (stato di alta temperatura/scarico, struttura cubica stabile) e la fase martensitica (stato di bassa temperatura/carico, struttura esagonale facilmente deformabile).
Tuttavia, i polimeri a memoria di forma (SMP) offrono vantaggi specifici in odontoiatria: l’effetto memoria di forma si basa solo sull’architettura molecolare e non richiede una struttura chimica specifica nelle unità ripetute. L’effetto memoria di forma non è una proprietà intrinseca di tali polimeri ma deriva da una combinazione di morfologia del polimero e una lavorazione specifica che può essere intesa come una funzionalizzazione del polimero.
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Vi sono diversi modi per classificare i polimeri a memoria di forma a seconda del tipo di reticolazione, dell’effetto memoria di forma, della forma macroscopica e dello stimolo scatenante. Quelli reticolati fisicamente possiedono una rete costituita da legami non covalenti, mentre nei polimeri a memoria di forma reticolati chimicamente sono presenti legami covalenti. Considerando il tipo di stimolo in grado di indurre un effetto di memoria di forma, è possibile distinguere tra polimeri a memoria di forma indotti chimicamente e indotti fisicamente.
I polimeri a memoria di forma possono essere attivati tramite applicazione termica diretta e, quando la temperatura applicata è superiore a quella di transizione del polimero è possibile programmare una forma transitoria. I polimeri a memoria di forma basati sulla temperatura di fusione più comuni sono poliolefine, polieteri e poliesteri, che mostrano una fase morbida a bassa temperatura di fusione e una fase dura cristallina che rimane invariata ad alta temperatura. Gli SMP la cui temperatura di transizione vetrosa è superiore a 25 °C possono essere utilizzati come materiali basati sulla temperatura di transizione vetrosa.
La forma deformata indotta può quindi essere fissata raffreddando il polimero al di sotto della sua Tg; in seguito, la forma primaria può essere recuperata riscaldando il polimero al di sopra della sua Tg. Combinando questi polimeri con altri materiali sensibili come Fe3O4, nanoparticelle di oro e argento (AuNP e AgNP), nanotubi di carbonio (CNT), ossido di grafene (GO) e nanocristalli di cellulosa, è possibile utilizzare il controllo remoto della temperatura tramite campo magnetico ed elettrico, microonde, irradiazioni UV e del vicino all’infrarosso.
Grazie all’estrema versatilità a livello di sintesi e di proprietà, i poliuretani sono i polimeri più utilizzati per ottenere SMP: variando il tipo di diisocianato e il diolo si possono ottenere materiali con proprietà meccaniche e termiche estremamente variabili, in cui la fase uretanica è generalmente la fase hard, mentre il poliolo o poliestere è quella soft. PEG (polietilenglicole) o poli-ɛ-caprolattone, le cui temperature di transizione vetrosa si aggirano intorno a 40-60 °C, sono ampiamente utilizzati per ottenere fasi soft con Ttemp poco più alte di quelle ambiente o di quelle del corpo umano.
Se si desidera operare a temperature di switch più basse si ricorre all’utilizzo di polietilenadipato oppure di politetraidrofurano: questi sistemi, infatti, hanno temperature di transizione inferiori a 0 °C. Esistono esempi anche di SMP costituiti da copolimeri olefinici a base di 1,4 butadiene e stirene: in questo caso, la fase hard è costituita dalla fase polistirenica, mentre la fase soft dal sistema cristallino polibutadiene.
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Uno studio pubblicato dal dottor A. Bruni e dal suo team dell’Università di Torino offre una panoramica dell’applicazione dentale disponibile degli SMP, con una valutazione della letteratura e della ricerca esistenti, nonché un monitoraggio tecnologico. A gennaio 2019 è stata fatta una ricerca su database informatizzata per rilevare tutti gli articoli e brevetti riguardanti i dati sull’uso dei polimeri a memoria di forma in odontoiatria. L’ortodonzia era il campo di applicazione con il maggior numero di brevetti registrati, ma gli SMP sono un argomento interessante di indagine anche per l’odontoiatria protesica.
Per le protesi, infatti, la ricerca aspira a ottimizzare la pratica quotidiana attraverso la riduzione dei tempi alla poltrona e il miglioramento dell’esperienza del paziente. Tra le varie applicazioni, la protesi provvisoria fissa e rimovibile merita un’attenzione particolare. I provvisori sono fondamentali per fornire guarigione dei tessuti molli, occlusione adeguata ed estetica accettabile, tuttavia, soffrono spesso di adattamento inadeguato. Per risolvere il problema, un brevetto ha proposto una corona prefabbricata, modellata con resina a memoria di forma e posizionata sopra la componente secondaria del dente, per creare un restauro provvisorio. La particolarità di questo restauro è l’adattamento perfetto con la superficie del moncone senza interposizione del cemento.
La combinazione tra progettazione personalizzata, stampa 3D diretta e materiali intelligenti rappresenta un’evoluzione significativa nella produzione degli allineatori. La tecnologia della stampa 4D si basa sulla stampa 3D di materiali a memoria di forma. Chiaramente, le parti stampate in 4D hanno la capacità di cambiare forma nel tempo (la quarta dimensione) in determinate condizioni ambientali.
BONN, Germania: Uno studio condotto da ricercatori dell’Ospedale Universitario di Bonn ha scoperto che gli allineatori ortodontici invisibili stampati in 4D possono applicare forze ortodontiche biocompatibili a muovere i denti. I ricercatori, provenienti dalle facoltà di odontoiatria di Germania, Egitto e Emirati Arabi Uniti, hanno utilizzato un sistema biomeccanico per correggere la malposizione di un incisivo mascellare centrale (dente 21), grazie a modello dentale realizzato su misura, utilizzando allineatori stampati in 4D.
Il team poi ha utilizzato una stampante 3D Asiga Max e la resina ClearX per creare sei paia di allineatori 4D. Hanno scoperto che gli allineatori stampati in 4D erano in grado di ottenere movimenti significativi dei denti nell’intervallo di 2,5 mm ± 0,5 mm, con poca variazione tra i due spessori testati (0,8 mm e 1,0 mm). I risultati hanno mostrato che l’apparecchio a memoria di forma ha ottenuto con successo un movimento significativo dei denti 21 e un movimento coerente è stato misurato anche nel sistema di misurazione e simulazione ortodontica (OMSS).
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Tuttavia, i ricercatori hanno evidenziato alcuni limiti dello studio, come il fatto che esso si concentra sul movimento isolato di un solo dente e non su un caso clinico complesso e che non erano state considerate le condizioni intraorali e i fattori quali l’umidità e la salivazione. L’obiettivo di allineamento mobile di 3,00 mm non è stato raggiunto, sono stati raggiunti solo 2,06-2,82 mm. Tuttavia, i risultati sono stati soddisfacenti, con un singolo apparecchio a memoria di forma che ha ottenuto quasi lo stesso movimento del dente possibile con 10 apparecchi convenzionali.
È importante notare che, insieme alla progressione verso la precisione in odontoiatria, anche la scienza dei materiali sta avanzando verso un percorso completamente personalizzabile. In questo scenario, l’ascesa dei polimeri a memoria di forma, con la loro elevata possibilità di personalizzazione, sembra essere il futuro della produzione e dello sviluppo dentale. Gli autori della ricerca concludono che sebbene l’applicazione dei polimeri a memoria di forma in odontoiatria sia ancora limitata a causa della mancanza di fornitori commerciali di materiali dentali, accademici e inventori hanno mostrato un crescente interesse nel testare i potenziali usi degli SMP.
La sterilità è un altro requisito degli scaffold destinati a essere impiantati nel corpo umano, quindi, deve essere presa in considerazione durante lo sviluppo di polimeri a memoria di forma per applicazioni biomediche in vivo. Le tecniche di sterilizzazione più comunemente utilizzate sono l’ossido di etilene (EtO) e l’irradiazione gamma. Tuttavia uno degli svantaggi principali di questa tecnica di sterilizzazione è la tossicità residua dell’ossido di etilene che potrebbe rimanere nei supporti.
Dal punto di vista clinico e della performance dell’allineatore, la capacità di prevedere e controllare la risposta meccanica in funzione della temperatura e dell’ambiente orale rimane una sfida; per esempio, per le leghe NiTi la sensibilità alla temperatura orale può rendere difficile un controllo preciso della forza applicata. Analogamente, per i polimeri, la progettazione della temperatura di transizione (Ttemp, Tg, Tperm) è cruciale per garantire attivazione sicura ed efficace in bocca.
La stampa 3D dentale commerciale sta esplodendo. Solo negli ultimi mesi, la crescente popolarità della stampa 3D nel settore dentale ha spinto un gran numero di produttori a introdurre nuovi materiali e macchine, ciascuno progettato per facilitare la produzione di allineatori ad alto volume mentre competono in questa rapida evoluzione. Aziende come Prodways hanno ora iniziato a stampare in 3D prodotti finali in volumi estremamente elevati per i clienti del settore dentale.
In linea generale, la stampa 4D combinata con SMP apre possibilità tecniche non solo nell’ortodonzia ma anche in protesi provvisorie autoadattanti, scaffold per ingegneria tissutale e dispositivi medici personalizzati. La tecnologia 4D applicata agli apparecchi ortodontici permette di progettare dispositivi con proprietà meccaniche variabili nel tempo e capaci di evolvere secondo un piano terapeutico digitale.
| Caratteristica | Apparecchio tradizionale | Apparecchio SMP / 4D |
|---|---|---|
| Numero di mascherine per movimento | Alto (più mascherine) | Ridotto (possibile singolo apparecchio per più movimento) |
| Personalizzazione | Buona (tramite termoformatura su modello) | Molto elevata (progettazione digitale e controllo delle proprietà) |
| Controllo delle forze | Stabile, ma limitato a materiali tradizionali | Potenziale variabilità in funzione della temperatura e progettazione |
| Comfort ed estetica | Buono | Molto buono (materiali più estetici, trasparenti) |
| Tempo di trattamento | Lungo | Potenzialmente ridotto |
I ricercatori hanno creato un modello di dente personalizzato utilizzando denti in resina e acrilico. L’incisivo centrale superiore sinistro (dente 21) è stato lussato con una lussazione totale di 3 mm ed è stato mobile mediante inclusione di cera rosa nel modello, mentre gli altri denti sono stati fissati con resina. Questi apparecchi vengono applicati a modelli con denti disallineati e imbevuti di acqua calda. Durante questo processo, la cera attorno al dente disallineato si ammorbidisce, permettendogli di essere modellata dall'apparecchio e quindi raffreddata per acquisire i dati.
Il team ha usato un sistema biomeccanico per misurare le forze generate a diverse temperature e ha impiegato un sistema di misurazione e simulazione ortodontica (OMSS) per valutare l’efficacia del dispositivo. I risultati sperimentali hanno mostrato movimenti significativi e coerenti, sebbene ulteriori studi clinici in condizioni intraorali reali siano necessari.
Lo sviluppo di un materiale composito con la combinazione di una capacità di memoria di forma e una capacità di cambiamento ottico in risposta a uno stimolo selezionato potrebbe essere una svolta nel campo dei materiali dentali. Gli SMP, con la loro elevata possibilità di personalizzazione, sembrano essere il futuro della produzione e dello sviluppo dentale. Poiché i materiali polimerici a memoria di forma continuano ad evolversi, si prevede che nuove applicazioni di stampa 4D nel settore della progettazione di prodotti crescano.
Al momento, l’apparecchio di stampa 4D è ancora in fase di ricerca e dovrebbe essere commercializzato il prima possibile. Sebbene vi siano ancora limiti e sfide da affrontare, la convergenza tra materiali intelligenti, stampa digitale e progettazione clinica offre una traiettoria promettente per apparecchi ortodontici più efficienti, personalizzati e comfortevoli.
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