Appunti Biomateriali

BIOMATERIALI

1.1 Introduction to biomaterials

Cos’è un biomateriale? Che caratteristiche deve avere? Non è un concetto univoco: possono essere

di varia natura, con scopi e applicazioni differenti.

Definizione di base: è qualsiasi materiale, naturale o sintetico, che viene messo a contatto con

tessuti biologici, sangue (classificato come tessuto) oppure con fluidi biologici di varia natura. È

utilizzato per protesi, può avere funzione diagnostica o terapeutica, o di storage (contenimento, ad

esempio sacche per il sangue), senza compromettere in modo negativo l’organismo vivente e i suoi

componenti, e senza danneggiarlo.

Altra definizione: è un materiale che ha lo scopo di interfacciarsi con sistemi biologici per svolgere

diverse funzioni: valutare, trattare, accrescere o sostituire un tessuto, un organo o una funzione del

corpo di un essere vivente (pone l’accento sull’interfaccia, senza tralasciare la parte interna e

strutturale).

Esempio: Negli steli delle protesi d’anca, ad esempio, si utilizzano steli metallici che si inseriscono

nel femore e sostituiscono la testa del femore, che viene alloggiata nel bacino per permettere la

rotazione dell’anca. I materiali che costituiscono queste protesi sono leghe metalliche con una

particolare resistenza; tuttavia, per facilitare l’adesione con la parte ossea del femore, si

modificano le proprietà superficiali (ad esempio rendendo la superficie porosa) per favorire

l’integrazione con le cellule ossee, che devono legarsi il più possibile alla superficie del

biomateriale. Uno stelo poroso si integra meglio di uno liscio: è un approccio geometrico. Un altro

approccio consiste nel ricoprire lo stelo metallico con un materiale che favorisca

l’osteointegrazione.

È quindi fondamentale sia la parte strutturale che l’interfaccia.

Acciaio: lega metallica del ferro particolarmente resistente alla corrosione. Il nostro corpo, però, è

un ambiente molto corrosivo, ricco di acqua e sali; quindi, anche l’acciaio inossidabile non risulta

adeguato se non per applicazioni di breve durata, poiché può fratturarsi a causa della corrosione.

Per i soggetti più giovani si impiegano leghe metalliche molto più resistenti dell’acciaio inossidabile

alla corrosione elettrochimica, fenomeno di degradazione che avviene all’interno del corpo per i

materiali metallici.

L'evoluzione della scienza dei biomateriali si articola in tre generazioni principali, che riflettono il

passaggio da un approccio passivo a uno rigenerativo. La prima generazione (fino agli anni '80)

puntava alla bioinertness, cercando materiali (come l'acciaio o il nylon) semplicemente tollerati

dall'organismo per sostituire le parti danneggiate. La seconda generazione (dagli anni '80) ha

introdotto il concetto di bioattività, con materiali capaci di interagire chimicamente con i tessuti,

come i biovetri o i rivestimenti in fosfato di calcio per favorire l'osteointegrazione. Infine, la terza

generazione (dagli anni 2000) si concentra sulla rigenerazione del tessuto funzionale tramite

l'ingegneria tissutale, utilizzando strutture e cellule per spingere l'organismo a ricreare un tessuto

nuovo e vitale.

Bioinerte: materiale quanto più stabile possibile all’interno dell’organismo umano, che non vada

incontro a corrosione.

Materiale non solo inerte ma anche attivo: si parla di bioattività, cioè la capacità di un materiale di

fondersi con i tessuti (in particolare con quello osseo). Affinché il materiale si saldi ad essi i fosfati

di calcio, ad esempio, sono materiali eccellenti per l’osteointegrazione; si trovano bioceramiche e

biovetri, che differiscono per la loro struttura interna (maggiore strutturazione o struttura amorfa).

Alcuni biovetri possono fondersi con il tessuto osseo perché formano uno strato di idrossiapatite.

Gli elettrodi sono realizzati con metalli inerti nobili, ma per ottenere un’integrazione maggiore e

un’interfaccia più soft (non hard) si utilizzano polimeri di vario tipo.

Biomateriali per la rigenerazione dei tessuti: servono a facilitare il processo di coltivazione e

differenziazione cellulare in vitro, per ricostruire veri e propri tessuti da impiantare (matrice

extracellulare).

Polimeri bioerodibili: si degradano dopo un certo tempo all’interno dell’organismo, per funzioni a

breve termine, con funzione di supporto temporanea e a scadenza.

Le quattro famiglie principali di biomateriali sono: polimeri, metalli, ceramiche e compositi, che

comprendono e abbracciano tutti gli altri sottoinsiemi.

Esistono anche biomateriali che non sono di origine sintetica o artificiale: vi sono infatti polimeri di

origine completamente naturale, derivati da vari tipi di organismi sia animali che vegetali.

Non sono stati originariamente progettati per applicazioni nei biomateriali!

Elenco delle proprietà che un biomateriale deve possedere:

• comportamento nei confronti del tessuto biologico, deve essere inerte e non determinare

alcun tipo di reazione avversa o pericolosa dei tessuti, oppure deve avere la capacità di

creare intenzionalmente una risposta da parte del tessuto (ad esempio

l’osteointegrazione);

• deve essere biocompatibile, non tossico;

• deve essere meccanicamente e chimicamente stabile, non deve degradarsi nel tempo,

oppure — per un materiale con comportamento a scadenza — si dovranno utilizzare

materiali differenti, generalmente polimeri, tali che in un certo periodo di tempo le catene

molecolari si scindano, si rompano e il polimero si distrugga. I prodotti derivanti da questa

rottura saranno poi metabolizzati dall’organismo.

• Deve avere buona processabilità, cioè semplicità di lavorazione (di processare) e

fabbricazione di questi materiali, e costi di produzione contenuti (costi di manufecturing).

• Comportamento nei confronti del sangue: non deve indurre la formazione di coaguli; le

caratteristiche superficiali, sia chimiche che geometriche, devono rendere minima la

possibilità che la componente solida del sangue (in particolare le piastrine) crei occlusioni,

anche parziali, che risultano comunque pericolose poiché generano anomalie

fluidodinamiche e facilitano il ristagno del sangue e la formazione di coaguli che possono

essere trasportati.

• Sterilizzabilità: ogni tecnica di sterilizzazione utilizza forme di energia differenti che possono

avere un impatto sul materiale e danneggiarlo. I polimeri, ad esempio, possono risultare

sensibili a tecniche di sterilizzazione elettromagnetiche a determinate frequenze, che

rischiano di rompere i legami chimici delle catene molecolari.

In Ortopedia: Applicazione di protesi articolari ad alto carico,

come quelle d'anca o di spalla, realizzate con leghe metalliche

resistenti per la struttura e polimeri o ceramiche per le superfici di

attrito, fissate all'osso naturale direttamente o tramite cemento

acrilico in PMMA.

In Odontoiatria: Utilizzo di viti in titanio inserite nell'osso come radici

artificiali e di ricostruzioni estetiche e funzionali (capsule o ponti) in

ceramica o materiali compositi per resistere all'usura della masticazione.

In Cardiologia: Impiego di valvole cardiache protesiche a contatto

diretto con il sangue, distinte tra valvole meccaniche in carbonio pirolitico ed

elastomeri (che richiedono terapia anticoagulante) e valvole biologiche

derivate da tessuti animali trattati per garantire una migliore emocompatibilità.

Le valvole meccaniche offrono una durata elevata (oltre 30 anni) e sono ideali

per i pazienti giovani, ma richiedono una terapia anticoagulante a vita per

prevenire la formazione di trombi. Al contrario, le valvole biologiche

garantiscono un flusso sanguigno più naturale ed evitano gli anticoagulanti,

ma hanno una durata limitata (10-15 anni) e sono preferite nei pazienti

anziani. Utilizzo di cateteri flessibili, stent e dispositivi a

palloncino in polimeri e metalli per trattare patologie vascolari, consentendo l'accesso mini-

invasivo e la dilatazione di vasi sanguigni occlusi.

In Oftalmologia: Applicazione di dispositivi polimerici di precisione, come le lenti

a contatto morbide o rigide e le lenti intraoculari, progettate per correggere i

difetti visivi o sostituire il cristallino naturale garantendo un'elevata

biocompatibilità con i tessuti oculari.

In Nefrologia: Impiego di apparecchiature e materiali dedicati alla

filtrazione extracorporea del sangue (come i sistemi per emodialisi) e di

contenitori specifici per la diagnostica di laboratorio, realizzati con

polimeri stabili e atossici.

Examples in Drug delivery: rilascio di farmaci, attraverso la pelle, instillati tramite gocce oppure

inalati, o tramite sistemi di rilascio impiantati all’interno dell’organismo (ad esempio uno stent

vascolare con una rete all’interno della quale si possono intrappolare molecole di interesse). Il

rilascio può avvenire in modo passivo, guidato dal gradiente di

concentrazione: la forza motrice che determina l’innesco del

trasporto del soluto è il semplice gradiente di concentrazione.

I meccanismi attivi, invece, sono indotti da uno stimolo che può

essere emesso dall’esterno del corpo oppure da uno stimolo

ambientale dovuto a una variazione fisiopatologica delle

condizioni in adiacenza al drug delivery system (ad esempio, l’insulina può essere intrappolata in

un polimero in grado di deformarsi, aumentando la porosità soltanto quando si trova a contatto

con una soluzione, come il sangue, in cui sia presente un’elevata

concentrazione di glucosio).

In biological tissue engineering: Coltivazione della pelle in vitro.

o PMMA: polimetilmetacrilato

o UHMWPE: ultra high

molecular weight polietilene

o Teflon e Dacron (PET,

polietilene tereftalato) sono

nomi commerciali.

• Skeletal system

Per il sistema scheletrico e l'odontoiatria, dove i dispositivi sono sottoposti a carichi meccanici

elevati e devono interfacciarsi con il tessuto osseo, si utilizzano materiali ad alta resistenza

strutturale e ottima biocompatibilità. Nello specifico, per le joint replacement (sostituzioni

articolari di anca e ginocchio) si impiegano leghe di titanio, acciaio inossidabile e polietilene (PE);

per le bone plate (placche ossee) si usano acciaio inossidabile e leghe di cobalto-cromo (Co-Cr);

mentre per fissare le componenti si ricorre al bone cement (cemento osseo) a base di PMMA

(polimetilmetacrilato). Per i tendini e legamenti artificiali troviamo materiali come idrossiapatite,

Teflon e Dacron (PET), mentre per i dental implant (impianti dentali) si sfruttano titanio, allumina e

fosfato di calcio per favorire l'osteointegrazione.

• Cardiovascular system

Nel sistema cardiovascolare, la priorità assoluta è l'emocompatibilità e la flessibilità, poiché i

dispositivi si trovano a diretto contatto con il flusso sanguigno. Per le blood vessel prosthesis

(protesi di vasi sanguigni) si impiegano polimeri stabili e flessibili come Dacron (PET), Teflon e

poliuretano; per le heart valve (valvole cardiache) si ricorre a tessuti biologici ritrattati, acciaio

inossidabile e carbonio pirolitico; infine, per i catheter (cateteri) si utilizzano gomma di silicone,

Teflon e poliuretano.

• Organs

Quando si parla di organi artificiali e sistemi di supporto vitale, i materiali devono garantire sia la

resistenza meccanica che la compatibilità con i fluidi corporei complessi. Per l'artificial heart (cuore

artificiale) si sfrutta il poliuretano; per la skin repair template (matrici per la riparazione cutanea) si

usano compositi di silicone-collagene; per l'artificial kidney (rene artificiale) si impiegano

membrane a base di cellulosa e poliacrilonitrile; mentre per la heart-lung machine (macchina

cuore-polmone) viene utilizzata la gomma di silicone.

• Senses

Infine, per gli organi di senso e le applicazioni oftalmiche o uditive, sono necessari materiali di

altissima precisione e trasparenza ottica o conducibilità elettrica. Per il cochlear replacement

(impianto cocleare) si utilizzano elettrodi in platino; per le intraocular lens (lenti intraoculari) si

impiegano PMMA, gomma di silicone e idrogel; per le contact lens (lenti a contatto) si preferiscono

silicone-acrilato e idrogel; mentre per la corneal bandage (benda corneale) si ricorre a collagene e

idrogel.

Slide per correlazione tra materiali e applicazioni, e anche zone del corpo!

Il processing ha un effetto anche sulle proprietà meccaniche (ad esempio, bolle d’aria che

determinano l’indebolimento della struttura del polimero). (guardare bene queste slide come

ripasso fine corso)

Definizione di Biomateriale secondo la FDA (Food and Drug Administration):"un strumento,

apparecchio, attrezzo, macchina, congegno, impianto, reagente in vitro o altro articolo simile o

correlato, compresa una parte componente o un accessorio che sia riconosciuto nel National

Formulary ufficiale, o nella Farmacopea degli Stati Uniti, o in qualsiasi loro supplemento, destinato

all'uso nella diagnosi di malattie o altre condizioni, o nella cura, mitigazione, trattamento o

prevenzione di malattie nell'uomo o in altri animali, o destinato a influenzare la struttura o

qualsiasi funzione del corpo dell'uomo o di altri animali, e che non consegua nessuno dei suoi

scopi principali previsti attraverso un'azione chimica all'interno o sul corpo dell'uomo o di altri

animali, e che non dipenda dall'essere metabolizzato per il conseguimento di alcuno dei suoi scopi

principali."

La Scienza dei Biomateriali è una materia interdisciplinare: Gli esperti di biomateriali

(biomaterialists) includono scienziati dei materiali, ingegneri, dentisti, biologi, chirurghi e veterinari

operanti nell'industria, nel governo, nelle specialità cliniche e in ambito accademico.

Gli scienziati dei biomateriali studiano le interazioni di sostanze naturali e sintetiche e di dispositivi

impiantati con le cellule viventi, i loro componenti e complessi come tessuti e organi.

Gli ingegneri dei biomateriali sviluppano e caratterizzano i materiali utilizzati per misurare,

ripristinare o migliorare le funzioni fisiologiche, e per potenziare la sopravvivenza e la qualità della

vita.

1.2 Stress-strain properties of materials

Possiamo fare una distinzione dal punto di vista meccanico tra materiali di tipo elastico (polimeri

non elastomerici, metalli e ceramiche) e iper-elastico (polimeri elastomerici, volgarmente chiamati

gomme).

Stress indica lo sforzo, che dal punto di vista fisico corrisponde a una tensione meccanica, con le

stesse unità di misura della pressione; dimensionalmente rappresenta il rapporto tra forza e

2

[/ = ].

superficie Se immaginiamo di prendere un provino di un qualsiasi materiale e

sottoporlo a una prova di trazione uniassiale, otteniamo una curva come in figura, con un tratto

iniziale quasi lineare, tipico dei metalli. Lo strain rappresenta la deformazione percentuale ed è una

quantità adimensionale.

Nel primo tratto si osserva un andamento tipicamente lineare: questa regione si chiama regione

elastica, in cui il materiale segue la legge di Hooke, cioè lo sforzo e lo strain sono legati linearmente

,

mediante il coefficiente chiamato modulo di Young secondo la relazione stress = E * strain. La

linearità è un’approssimazione, tanto più valida quanto la caratteristica stress-strain del materiale

si avvicina a questa retta; nella realtà, man mano che aumenta lo strain, la caratteristica devia dal

comportamento lineare.

Lo yield point, o punto di snervamento, indica il passaggio dal regime elastico a quello plastico.

Fino a questo punto, se rimuovo il carico, il materiale è in grado di recuperare lo strain e seguire la

retta inversamente, dissipando energia in misura minima rispetto a quanto avviene superando lo

yield point. Oltre il punto di snervamento, il materiale non recupera più la deformazione: l’energia

immessa viene dissipata in modo crescente e irreversibile. Cominciano a manifestarsi attriti interni

che provocano riscaldamento del materiale; nel primo tratto, invece, l’attrito è minimo e il

materiale si scalda poco, recuperando quasi tutta l’energia immessa.

Modulo elastico tangente: in alcuni settori di un materiale non si fornisce un solo valore, ma più

valori di modulo elastico, detti valori tangenti, cioè il coefficiente angolare della caratteristica

stress-strain in punti diversi, anche fuori dalla regione elastica dove questo coefficiente varia. Nei

materiali elastomerici il modulo cambia sempre; per un elastomero, il modulo di Young

corrisponde al valore per strain uguale a 0.

Stiffness: rigidezza, modo per indicare il modulo elastico o anche il modulo tangente. Si utilizza per

descrivere il comportamento elastico di un materiale. Il suo inverso è la compliance, cioè la

cedevolezza. Più un materiale ha un modulo elastico basso, più è cedevole: posso ottenere lo

stesso strain con uno stress più piccolo; quindi, per ottenere la stessa deformazione serve meno

forza per unità di superficie.

Tensile strength: valore in cui la curva stress-strain raggiunge il massimo; superato questo punto, il

materiale inizia a rompersi irreversibilmente. Lo stress al quale il materiale si rompe viene

chiamato stress di rottura.

Differenza tra stiffness e hardness (durezza): la stiffness si

riferisce tipicamente a una prova di trazione, mentre

l’hardness si misura con una prova di penetrazione. Si

applica una forza con una punta sul materiale, in modo

semistatico, e dopo aver rimosso il pezzo si osserva la

geometria dell’impronta: da essa, tramite definizioni

standard, si ricava l’hardness. L’inverso dell’hardness è la

softness (morbidezza): più il materiale è morbido, maggiore sarà l’indentazione.

Toughness, cioè la tenacità, è una proprietà valutata tramite prova ad impatto. Si utilizza un

pendolo che sbatte contro il provino: osservando la variazione di al