Tecnologia medica: in serie con plastica

(Immagine: ©Rodinger Kunststoff-Technik GmbH)

La trasparenza è uno dei criteri più importanti nella scelta delle plastiche per componenti medici. I coperchi trasparenti – come quello impilato in questa immagine – consentono processi di analisi tramite microscopia, tecnologia fotografica o misurazioni di fluorescenza. (Immagine: ©Rodinger Kunststoff-Technik GmbH)

Piccole cavità di una cartuccia Lab-on-a-Chip (a destra nell'immagine): geometrie complesse e filigrane come questa possono essere prodotte in modo efficiente grazie a tecniche di utensili di alta precisione e a determinati materiali plastici mediante stampaggio a iniezione. (Immagine: ©Rodinger Kunststoff-Technik GmbH)

La plastica è un materiale molto richiesto nella tecnologia medica. Questo inizia con i prodotti di confezionamento, ad esempio le parti esterne di una penna per insulina, passando per componenti diagnostici che vengono a contatto con sostanze da smaltire, fino a prodotti che entrano in contatto con sostanze che verranno successivamente reintrodotte nel corpo. A seconda dell'ambito di applicazione, esistono diverse normative e approvazioni per le plastiche, che sono indicate come Medical Grades. I requisiti fondamentali per le plastiche di Medical Grade sono la completa tracciabilità dei prodotti e delle materie prime utilizzate, la biocompatibilità, la resistenza chimica, la sterilizzabilità e anche la sicurezza di consegna.

Anche se le plastiche domineranno successivamente nella produzione in serie, i prodotti vengono spesso testati in laboratorio durante la fase di sviluppo con materiali alternativi come vetro, metallo o silicone. In primo luogo, si ricorre a articoli standard presenti sul mercato per motivi economici e di disponibilità. Questi includono, ad esempio, piastre di Petri, piastre di titolazione, cuvette o vetrini. Poiché nel laboratorio vengono analizzati processi tramite microscopia, tecniche di fotocamera o misurazioni di fluorescenza, la trasparenza è una delle principali esigenze per gli utensili utilizzati, che sono principalmente garantite dal vetro. Esistono anche plastiche trasparenti, ma il vetro presenta una trasparenza leggermente superiore.

Plastica per strutture complesse

In molti casi di applicazione, come ad esempio nei chip di laboratorio complessi, gli utensili standard sono adatti solo per test di base. Quando si tratta di sviluppare processi dettagliati per la produzione in serie, geometrie complesse e canali microfluidici richiedono materiali diversi, come alcune plastiche. Con queste, è possibile realizzare strutture così fini con un basso consumo di energia.

I primi prototipi possono essere realizzati mediante stampaggio a caldo o con stampi in silicone o resina. I costi una tantum per gli stampi sono contenuti. Tuttavia, la produzione di parti in plastica in laboratorio è relativamente complessa e comporta compromessi qualitativi. Quando la produzione in serie inizia con lo stampaggio ad iniezione, il rapporto tra costi e benefici è esattamente l'opposto: l'investimento in uno stampo è elevato, ma le parti in plastica possono essere prodotte in grandi quantità a costi contenuti.

Compromessi in termini di estetica e libertà di progettazione

L'uso di plastiche nella produzione in serie di prodotti medici e diagnostici può comportare alcune limitazioni. Soprattutto nel settore ottico, devono essere accettati compromessi. Esistono plastiche molto trasparenti, ma che non raggiungono le caratteristiche ottiche del vetro. Ci sono anche limitazioni nella libertà di progettazione. Nel stampaggio a iniezione, i componenti devono essere sempre progettati in modo che possano essere smontati facilmente. Inoltre, sono necessari spessori di formatura che influenzano la libertà di progettazione. Le pareti del componente devono essere leggermente inclinate per facilitare lo smontaggio, generalmente tra 0,5 e 3 gradi, in rari casi fino a 10 gradi. «Questo è difficile da riconoscere otticamente, ma è assolutamente necessario per la forma», spiega Harald Höcherl, responsabile del reparto tecnologie di processo presso Rodinger Kunststoff-Technik GmbH (RKT). «In generale, queste condizioni non ci creano problemi nella produzione.»

Trattare plastiche compatibili con il settore medico

Quale plastica è adatta per quale applicazione medica o tecnologica è un campo molto vasto. Particolarmente frequentemente, le plastiche COC vengono utilizzate nella tecnologia medica – in particolare nella diagnostica – perché sono altamente trasparenti, presentano basse anisotropie ottiche e sono anche biocompatibili. Quando si tratta di prodotti di massa come articoli monouso, vengono utilizzate principalmente plastiche di massa economiche come PP, PE o PS, se le proprietà meccaniche lo consentono. Parti con requisiti meccanici elevati (ad esempio all’interno di penne per insulina) sono realizzate con termoplastici tecnici, come POM, PA o PPA. Per sostituire parti metalliche, vengono spesso impiegate plastiche tecniche con alte percentuali di fibre (fibra di vetro o di carbonio). Le parti del telaio sono principalmente realizzate con plastiche resistenti agli urti come ABS, PC/ABS, poliammidi o PBT.

«Quando si lavora con diverse plastiche, sono necessari alcuni accorgimenti tecnici e trucchi per ottenere i migliori risultati con ogni materiale», spiega Harald Höcherl. Una sfida può essere, ad esempio, una dimensione particolarmente piccola di un componente, che richiede attrezzature speciali nelle tecniche di stampaggio a iniezione, come unità di microiniezione. Per le plastiche COC trasparenti, invece, esiste un trucco per prevenire il ingiallimento; Harald Höcherl: «Il COC è molto sensibile all’ossigeno e si combina con esso durante la fusione, causando l’ingiallimento. Per questo motivo, l’area di lavorazione deve essere riempita di azoto. In questo modo, si può mantenere lontano l’ossigeno durante il processo di fusione.» Inoltre, il COC è relativamente fragile e soggetto a crepe da tensione. Qui è particolarmente importante avere spessori di formatura più robusti. Un’altra sfida nella lavorazione delle plastiche sono i requisiti di ambienti sterili per alcuni componenti diagnostici. In base alle specifiche del cliente, si valuta quale classe di ambiente sterile sia necessaria, se sono necessari test di sterilizzazione aggiuntivi, e RKT allestisce le celle di produzione in modo conforme alle norme di ambiente sterile.

RKT supporta lo sviluppo dei processi

RKT è specializzata, tra l’altro, nel supportare lo sviluppo dei processi per parti medicali fino alla produzione in serie. In modo ideale, si esegue prima una pre-ingegneria e si realizza uno stampo prototipo, per mettere alla prova la fattibilità di geometrie complesse in stampaggio a iniezione. In base ai requisiti del componente, vengono consigliate, selezionate e testate plastiche appropriate nel prototipo. Con il componente di prova, il prodotto può essere ulteriormente sviluppato e perfezionato. Alla fine, si crea lo stampo di produzione in serie, che può garantire quantità di milioni di pezzi a seconda della complessità.

Conclusione: stampaggio a iniezione di plastica – efficiente e di qualità

Per grandi volumi e processi fluidi, lo stampaggio a iniezione di plastica è un metodo efficiente per produrre componenti medici di alta qualità e conformi agli elevati standard del settore. Il vetro ha sicuramente vantaggi in termini di trasparenza per i processi di ispezione ottica, ma la plastica ha il vantaggio di costi e maneggevolezza nella produzione in serie.