Appunti Biomateriali

Biomateriali modulo 1

Controllo dell’usura

Indice della lezione

• Usura: definizioni e tipologie
• Caso di studio: UHMPWPE
  • Effetto dell’usura e delle particelle di usura
  • Tipologie di usura nell’ UHMWPE
  • Strategie per controllare l’usura
  • Efficacia delle strategie e sviluppi futuri

Strumenti utilizzati: standards, normative e ricerca bibliografica

Partiamo dalla degradazione dei materiali, in particolare dalle particelle di usura e come sia possibile controllarle. L’usura è un’interazione meccanica che deriva dall’interazione di due oggetti in moto relativo. Nel corpo umano questo problema si può riscontrare nelle articolazioni e in tutti gli impianti articolari, ma non solo.

Usura: perdita di materiale quando si ha un moto relativo tra due oggetti a contatto tra loro.

Ricerca normativa

1. Andare sul sito: https://compass.astm.org/implicit/callback
2. Cercare “g40-21a”

È una normativa tecnica dei termini legati all’usura e all’erosione. Sono termini univoci, su cui ci sono accordi per evitare errori di interpretazione o di comprensione. Le normative vengono usate per dare delle definizioni e vengono periodicamente aggiornate.

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Termini riferiti all’usura

• Tribologia: scienza e tecnologia riferite all’interazione di superfici in moto relativo, includendo frizione, lubrificazione, usura e erosione.

Definiamo poi le diverse tipologie di usura, in base ai meccanismi:

• Usura adesiva: le due parti sono a contatto e in moto ma le due superfici aderiscono tra di loro (zona in blu dell’immagine a lato). Quindi, una parte strappa delle particelle dalle zone sottostante. Si osserva nell’UHMWPE delle protesi articolari.
• Usura abrasiva: si osserva nell’UHMWPE delle protesi articolari; è dovuta al fatto che le superfici non sono perfettamente lisce (anche a livello micrometrico) e che una delle due superfici ha una durezza maggiore dell’altra. È il risultato dell’abrasione. Si parla di usura abrasiva a due corpi.

Definiamo anche abrasione: è il processo di moto relativo tra una superficie e delle particelle dure (o delle protuberanze) che causa usura abrasiva.

• Usura abrasiva a tre corpi (o da terzo corpo): si verifica nelle articolazioni se la zona durante l’impianto non viene ripulita bene dai frammenti ossei. Il terzo corpo può derivare anche dalla protesi stessa; durante l’usura abrasiva si generano delle particelle che rimangono nel sito, scatenando l’usura da terzo corpo.
• Usura per sfregamento (o fretting): è dovuta a micromovimenti e micro-assestamenti tra le superfici. È un particolare tipo di usura abrasiva, molto presente nelle articolazioni e nelle protesi.
• Usura a fatica: è dovuta all’effetto di carichi applicati nel tempo; le zone più sollecitate vanno incontro a frammentazione. Anche questo può verificarsi nelle articolazioni.

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Ci sono molti contributi e meccanismi che portano all’usura del materiale; per contrastarla è necessario capirne il meccanismo alla base per agirvi direttamente, su diversi fronti.

Il primo approccio consiste nel rendere molto lisce le superfici, per evitare l’usura abrasiva. Inoltre, si deve evitare anche quella adesiva, usando materiali per cui sia facile avere l’effetto di lubrificazione, grazie all’interposizione di un fluido. Per evitare l’usura da terzo corpo si deve avere una tecnica chirurgica precisa e pulita. Infine, nel caso dell’usura a fatica, si deve verificare che il materiale sia esso stesso resistente a fatica (se ne devono controllare le proprietà).

Protesi

Testine metalliche di protesi d’anca.

Componenti della protesi d’anca.

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Componenti della protesi di ginocchio.

Nella figura a lato vediamo l’effetto dell’usura su un inserto tibiale in UHMWPE. L’UHMWPE è un polietilene ad ultra alto peso molecolare con catene molto lunghe. È resistente al creep, alla compressione (che è una sollecitazione molto importante nell’articolazione). È un polimero lineare con una struttura abbastanza cristallina. Tuttavia, il difetto principale è che fonde a temperature molto elevate per cui l’unico metodo di lavorazione disponibile è simile ai ceramici; si parte da polveri che vengono compattate e successivamente lavorate meccanicamente. La lavorazione meccanica è difficile nel caso in cui non si abbia una struttura perfettamente liscia a livello micrometrico, dato che si vedrà l’effetto dell’utensile. L’UHMWPE è stato ampiamente utilizzato negli ultimi anni, ma oggi si vogliono protesi che durino per tutta la vita del paziente.

Il polietilene ha anche lo svantaggio di rilasciare particelle di usura, causando usura abrasiva e da terzo corpo. Questo inoltre risulta in una perdita di materiale, con ridotto allineamento dell’articolazione e movimento non più corretto. I detriti di UHMWPE non causano solo problemi meccanici ma anche di biocompatibilità: essi, infatti, si fissano nei tessuti circostanti, scatenando una risposta infiammatoria. La risposta infiammatoria è un meccanismo fisiologico di difesa ma può sfociare in una reazione cronica, con effetti di attivazione di cellule e fattori vari (tra questi gli osteoclasti che iniziano a demolire l’osso->osteolisi). L’osteolisi ha conseguenze sia biologiche che meccaniche, determinando possibile mobilizzazione asettica delle protesi. La mobilizzazione causa dolore per il paziente e perdita di funzionalità della protesi, per cui spesso è necessario un secondo intervento di rimozione.

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Mobilizzazione settica -> è dovuta alla presenza di una sepsi (infezione).

Mobilizzazione asettica -> avviene non in presenza di infezione.

Nello schema si rappresenta il fenomeno appena descritto: a sinistra si vedono i detriti di usura (pallini rossi) che causano l’inizio della fagocitosi. I fagociti inglobano le particelle, cercando di degradarle, producendo una serie di sostanze associate (come i ROS, ossia sostanze ossidanti). Si determina così l’attivazione degli osteoclasti, responsabili dell’osteolisi. Vengono attivati anche fattori a livello sistemico, che inviano delle richieste di aiuto per la presenza di particelle estranee (interleuchine). Si attivano i macrofagi che cambiano nella loro struttura; prima secernono interleuchine per riparare il tessuto per poi diventare più aggressivi. Tutto questo meccanismo comunque porta all’osteolisi.

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Quindi, è importante studiare l’usura nelle nuove protesi; per farlo si fa sempre riferimento a delle norme.

Strategie disponibili per limitare l’usura

Quali sono le strategie attualmente disponibili per limitare l’usura?

Facciamo ancora riferimento ad una normativa, o meglio una linea guida per le aziende pubblicata il 26 aprile del 2019. Il testo descrive la caratterizzazione dell’UHMWPE per i dispositivi ortopedici; è sicuramente vantaggioso seguirla per assicurarsi il rispetto delle regole per la certificazione. Infatti, le normative sono scritte da esperti del settore e sono estremamente dettagliate.

Nella sezione III si descrivono i diversi tipi di UHMWPE usati in impianti ortopedici: essi sono

1) UHMWPE convenzionale: è ottenuto da polveri da cui si ottengono delle forme consolidate (le cui caratteristiche sono descritte nella norma ASTM F648). Nel tempo si è notato che durante la sterilizzazione tramite radiazioni gamma, capitava che la superficie si infragilisse (ossia si rompesse senza deformarsi): quindi, la sterilizzazione promuoveva la formazione di detriti di usura per la variazione delle caratteristiche superficiali. In particolare, il processo di sterilizzazione causava la formazione di radicali liberi (elettroni spaiati che strappano altri elettroni dalle molecole di UHMWPE), altamente reattivi che provocano la degradazione e la reticolazione delle catene. Infatti, gli elettroni spaiati cercano di formare dei legami con gli elettroni delle catene adiacenti: si forma un reticolo, difficilmente deformabile e che può solo rompersi. Questo ha come immediata conseguenza una riduzione della tenacità superficiale, della resistenza, della rigidezza e della durezza superficiale, quindi la resistenza ai fenomeni di usura. Si sono osservati degli effetti negativi in vivo, che prima non erano emersi nei test, probabilmente perché le protesi post-sterilizzazione non erano mai state testate.

2) UHMWPE altamente reticolato (HXLPE): per ridurre il problema dell’UHMWPE convenzionale, la soluzione proposta prevede una reticolazione della superficie dell’UHMWPE: la reticolazione non viene lasciata alla casualità ma è controllata. Questo è realizzato tramite un trattamento termico, così che i pochi radicali liberi formatisi vengano subito inglobati nella superficie, limitandone fortemente l’effetto. Se la reticolazione interessa solo uno strato sottile della superficie, gli effetti negativi sono bilanciati da effetti positivi e la resistenza all’usura è migliore. Per effettuare una reticolazione controllata si usa una dose molto elevata di radiazioni (maggiore di 40Kgreys-mentre normalmente si usa una dose di 25Kgreys); il processo è molto più violento e viene però arrestato immediatamente. Questa strategia viene spiegata e dettagliata in un’apposita sezione dell’ASTM F648.

3) UHMPWE altamente reticolato e trattato con antiossidanti (AO_HXLPE): si usano antiossidanti per controllare la reazione. La formazione di radicali liberi è una reazione di ossidazione per cui l’uso di antiossidanti la limita. Il problema principale riguarda la giusta quantità di antiossidanti: si deve trovare un compromesso per far partire la reazione per poi fermarla. L’antiossidante usato è la vitamina E, naturale e che viene aggiunta nelle polveri (prima di formare il pezzo-blending method) oppure che viene diffusa (si costruisce il pezzo e dopo di che viene immerso in una soluzione che fa migrare la vitamina E fino alla protesi- diffusing method). Questo si può fare prima o dopo la reticolazione che avviene per irraggiamento; oppure si può direttamente inserire l’antiossidante nel conventional UHMWPE per prevenire la reticolazione. Sono state studiate molte strategie.

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A lato riportiamo la struttura della vitamina E: l’anello dove c’è il gruppo OH è un fenolo, particolarmente reattivo. L’idrogeno viene ceduto e l’elettrone rimasto spaiato viene accolto dall’anello, formando delle strutture di risonanza.

4) UHMWPE non convenzionale: è tutto quello che non rientra nelle categorie precedenti e che viene ora studiato. Le soluzioni oggi previste includono:

• L’uso di catene a basso peso molecolare che vengono reticolate al posto di quelle ad alto peso molecolare.
• Polietileni porosi.
• UHMWPE funzionalizzati, ad esempio con acido ialuronico.
• Polietileni con superficie modificati, che possono essere o non essere stabilizzati con antiossidanti.

In questo articolo si riporta una sintesi di tutte le soluzioni individuate, elencando tutti i casi dal 2011 per un totale di 2541 casi: è stata fatta una metanalisi. È stato concluso che non c’è differenza tra l’UHMWPE convenzionale non reticolato e quello HXLPE. Questo sicuramente pone degli interrogativi sugli studi che vengono effettuati prima dell’immissione sul mercato, che spesso non sono realmente predittivi. Inoltre, la biocompatibilità non è intrinseca nel materiale ma dipende dall’applicazione. L’UHMWPE altamente reticolato non ha mostrato comunque effetti peggiori di quello convenzionale.

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Altre soluzioni future sono rappresentate dai nuovi antiossidanti utilizzati, come l’acido gallico o il dodecilgallato o ancora l’epicatechin gallato. La strategia si basa sempre sull’osservazione che il gruppo OH cattura l’elettrone libero presente nell’UHMWPE e che ne causa degradazione. Se gli antiossidanti si rivelano efficaci, è possibile anche ridurne il quantitativo usato, usando molecole con un numero maggiore di gruppi OH e di anelli aromatici.

Ci sono anche strategie biologiche che bloccano l’attivazione delle citochine infiammatoria, il passaggio dei macrofagi da inattivi a distruttivi e che bloccano gli osteoclasti. Queste sostanze possono essere rilasciate dalle protesi stesse. Si tratta sicuramente di una visione moderna, in cui i materiali inerti non trovano spazio.

Anche i materiali metallici generano particelle di usura ma associato a questo fenomeno c’è anche la corrosione: lo stesso materiale può subire degradazione per usura e per corrosione, che spesso si combinano tra loro. La corrosione causa il rilascio di ioni metallici che si accumulano; è più facile corrodere una particella che una superficie massiva per cui i fenomeni di corrosione nelle particelle di usura sono particolarmente gravi.

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Controllo dell’usura: materiali ceramici avanzati

Indice della lezione

• Introduzione: il caso dell’usura metallo-metallo
• Materiali ceramici avanzati
  • Caratteristiche
  • Allumina
  • Produzione delle testine in allumina
  • Problemi microscopici
  • Biolox forte
  • Zirconia

L’usura non riguarda solo i materiali polimerici, ma anche i materiali metallici e ceramici che sono ampiamente utilizzati negli impianti.

Un caso particolare è costituito dall’usura di metallo su metallo; intorno agli anni ’90 sono state introdotte protesi articolari completamente realizzate in materiale metallico perché la quantità di particelle di usura prodotta era minore in termini di volume. Inoltre, vi erano anche meno problemi di mobilizzazione della testina nelle protesi d’anca. Le protesi erano anche più resistenti a frattura. Nell’immagine a lato si vede un esempio di questo tipo di protesi di anca.

Nel 2016, si è dimostrato che tali protesi in realtà avevano molti problemi che hanno richiesto anche l’intervento dell’FDA. Da allora, questi dispositivi non sono stati più usati.

Nel 2019, l’FDA ha pubblicato una nota con le preoccupazioni riguardo l’usura dei materiali metallici, le cui particelle di usura avevano effetti molto gravi sui tessuti circostanti. Le grandi aziende ortopediche (Johonson&Johnson, Stryker, Zimmer Biomet…) sono tutte passate agli impianti solo metallici, senza considerare gli effetti a lungo termine. È stato dimostrato che gli ioni metallici hanno effetti negativi sui tessuti muscolari e su fegato, milza, linfonodi in cui si sviluppano pseudo-tumori (ossia tessuti che non hanno le caratteristiche fisiologiche e crescono in maniera incontrollata). Tutto ciò ha avuto conseguenze legali ed economiche, con una perdita di milioni di dollari. Il problema è sorto per la sinergia tra usura e corrosione con rilascio di ioni metallici.

In questa lezione ci focalizziamo però sui materiali ceramici avanzati: sono sempre stati materiali di nicchia, poco usati. Il problema principale è la fragilità, soprattutto per impianti molto sollecitati come quelli articolari. Il controllo della microstruttura dei ceramici ha permesso di fare notevoli passi in avanti anche dal punto di vista applicativo, tanto che oggi sono materiali sempre più usati, soprattutto nell’ambito ortopedico. I materiali ceramici possono essere usati per realizzare le testine e le coppe acetabolari oppure si possono accoppiare con il polietilene. La tendenza degli ultimi anni è soprattutto quella di preferire l’accoppiamento ceramico-ceramico. A lato si riportano esempi di protesi di ginocchio in materiale ceramico.

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Caratteristiche dei materiali ceramici avanzati

• Basso coefficiente di usura.
• Elevata durezza.
• Superfici idrofiliche.
• Non ci sono problemi di corrosione.
• Stabili chimicamente.
• Inerti.

Il materiale più noto è l’allumina: ha una struttura esagonale compatta e cristallina con ioni di ossigeno e di alluminio. Lo spazio libero consente l’ingresso di altri ioni, creando diversi materiali come zaffiro, rubino e corindone.

Il corindone è una polvere ceramica di allumina ad elevatissima durezza; se si scontra con una superficie meno dura la scalfisce e per questo si usa per la sabbiatura (per esempio con i materiali metallici).

Produzione delle testine femorali in allumina

Si ottengono a partire da polveri che vengono sinterizzate. Le polveri, quindi, sono compattate e si aggiungono eventualmente dei leganti: si ottiene il pezzo al verde. A questo punto gli si conferisce la forma per poi scaldare il pezzo preformato (poco al di sotto delle temperature di fusione) in modo tale da unire le particelle, formando dei colli. In questo modo, infatti, si attivano dei processi di diffusione. Le polveri da cui si parte sono caratterizzate da

• Elevatissima purezza (altrimenti le impurità interne possono modificare le proprietà ottenute).
• Dimensioni dei granelli di polvere che devono essere molto piccole, inferiore a 7 µm (1.4 µm di media per le applicazioni mediche). In questo modo si facilita la compattazione delle particelle, avendo queste delle dimensioni comparabili e limitare. La porosità, infatti, è un difetto e può facilitare la formazione e la propagazione delle fratture, in particolare di quelle a fatica. Queste sono particolarmente pericolose perché non si possono vedere fino alla rottura del dispositivo che avviene di schianto.
• Crescita dei grani controllata durante la sinterizzazione: questo è possibile aggiungendo ossido di magnesio, un’impurezza che controlla la crescita dei grani. Tramite i diagrammi di fase è possibile capire qual è la quantità ideale da aggiungere.

Nell’immagine si vedono i colli tra le particelle formatisi durante la sinterizzazione: si riduce quindi la porosità ed