Organi artificiali

Chiara Arsieni

Organi artificiali

Prof. Christian Demitri

Chiara Arsieni

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A metà del secolo scorso, anni 40-50, nel primo dopoguerra, l’aspettativa di vita era di 60 anni, ora siamo arrivati ad avere un’aspettativa di vita di 85 anni. Questa aspettativa di vita è differenziata fra uomini e donne e questo dipende anche dalle condizioni ambientali, quindi dall’area geografica di riferimento, quindi nei paesi più sviluppati l’aspettativa di vita era più sviluppata, era maggiore, in quelli meno sviluppati, l’aspettativa di vita si riduce molto notevolmente.

Però comunque anche in questi Paesi comunque la forma di vita si è alzata quindi seppure rimane al di sotto della media dei Paesi più avanzati come il nostro, comunque sta crescendo.

Questo comporta il fatto che abbiamo un invecchiamento progressivo di tutta la popolazione attiva.

L’organismo accumula anni di vita, e questo si porta dietro il fatto che nascano più patologie, oppure si acquisiscano patologie pregresse che magari non davano problemi quando ovviamente l'aspettativa di vita era più bassa.

Sempre di più si sposta l’attenzione sulla definizione di terapie e di dispositivi o di soluzioni che possano permettere ai pazienti affetti da patologie di condurre una vita normale. Questo ha una ricaduta di mercato, cioè c’è sempre più mercato sull’utilizzo di queste tecnologie. Quindi essendoci la domanda ha ragion d'essere che ci sia l'offerta, quindi sempre più aziende si propongono al mercato con lo sviluppo di tecnologie, sistemi, dispositivi, che tendono a focalizzarsi su una o più patologie proprio per ridurre questo gap tra una situazione invalidante ad una situazione che possa portare alla completa guarigione o comunque ad avere uno stile di vita quanto più prossimo allo stile di vita di una persona sana.

I comparti che andremo a vedere sono i comparti dell’organismo soggetti a patologie di tipo degenerativo, invalidante, traumatico (la rottura accidentale di alcuni comparti perché conduciamo sempre di più una vita attiva, il nostro organismo è soggetto a sollecitazioni per lo stile di vita che conduciamo). Dobbiamo considerare anche lavori usuranti, il cui organismo è soggetto a delle mansioni che stressano in maniera più o meno importante alcuni comparti e quindi da questo poi si capisce la possibilità di rimpiazzare la funzionalità di alcuni comparti con alcuni dispositivi.

Per realizzare questi sistemi bisogna utilizzare dei materiali. Questi materiali che sono a contatto con l’organismo, vengono definiti biomateriali. Per essere funzionali a quelle che sono delle interazioni che possono essere esterne (es. macchina da dialisi, la quale non è impiantata nel nostro corpo, ma preleva, attraverso degli aghi, delle cannule, il sangue, lo filtra e lo immette). Quindi comunque abbiamo un contatto tra un fluido biologico e una macchina o comunque dei materiali e poi questo fluido deve essere immesso. Questi materiali devono avere delle caratteristiche particolari perché ovviamente hanno un'interazione, seppur esterna, seppur temporanea, con dei fluidi biologici.

Sistemi e materiali

Quali sono i sistemi e i materiali che supportano il design e la progettazione di questi dispositivi?

• Sostituzione di parti che sono state danneggiate, traumi oppure deformazioni congenite e quindi abbiamo delle protesi ortopediche o odontoiatriche, il cuore artificiale, la macchina per la dialisi renale.
• Assistenza e supporto al trattamento di alcune patologie, ad esempio utilizzo di fili da sutura, placche, viti che ci supportano nei meccanismi di guarigione, per esempio del tessuto connettivo oppure del tessuto osseo.
• Il ripristino di capacità funzionali quindi le lenti a contatto per esempio, ci permettono ovviamente di modificare quella che è la superficie dell'occhio quindi integrare all’interno dell’occhio, ci sono anche quelle esterne e quelle intraoculari, quindi permanenti, che ci permettono di migliorare quelle che sono le condizioni patologiche di degenerazione del nostro campo visivo e i pacemaker, che supportano la funzionalità del cuore, quindi in qualche modo aiutano il cuore che è in difficoltà nel suo corretto funzionamento.
• Correzione di alcuni aspetti funzionali, per esempio i sistemi di correzione di vibrazione della colonna vertebrale, o per problematiche congenite, problemi posturali, problematiche traumatiche.

Chiara Arsieni

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• Correzione di problematiche di tipo estetico, quindi le protesi maxillo facciali, le protesi mammarie.
• Sistemi che ci permettono di fare diagnosi di patologie come per esempio utilizzando dei cateteri quindi entrare all'interno dell'organismo per vari accessi e andare a indagare quelli che sono alcuni distretti per capire se ci sono delle patologie oppure anche il posizionamento di sensoristica che può essere a contatto con la pelle o può essere anche inserita all'interno del nostro organismo.
• Ausilio alla terapia quindi sono dei sistemi che non sono strettamente terapeutici ma sono di supporto alla terapia quindi per esempio l'utilizzo di cateteri e drenaggi che ci permettono in qualche modo di ristabilire le funzioni fisiologiche, nel caso del drenaggio, del tessuto che ha subito segnalazione oppure dei cateteri, quando per esempio, un soggetto è allettato e quindi per esempio non può urinare in maniera naturale.
• Ferri ed attrezzature chirurgiche.
• Dispositivi per il rilascio controllato, quindi sistemi che rilasciano in maniera controllata molecole che hanno un’azione farmacologica.

Definizioni

• Le bioprotesi sono delle protesi impiantabili, quindi dei sistemi che sostituiscono le funzionalità di alcuni comparti, che sono costituite totalmente o sostanzialmente da un tessuto biologico trattato e non vivente.
• L’organo artificiale è un dispositivo medico che sostituisce in parte o completamente le funzioni del nostro organismo.
• I propriamente graft, i quali sono i tessuti viventi che sono traslati da una zona all’altra del nostro corpo. Per esempio parliamo di vascular graft, che sono le protesi vascolari, per esempio quando utilizziamo la vena safena per ricostruire le funzionalità delle coronarie (in questo caso si parla di autograft). Parliamo di allograft nel caso in cui prendiamo da un donatore della stessa specie, oppure gli xenograft quando prendiamo il prelievo da donatori animali.
• Gli impianti sono dei dispositivi medici costituiti da uno o più biomateriali posto intenzionalmente all’interno del corpo umano e collocato totalmente o parzialmente al di sotto di una superficie epiteliale.
• Il trapianto è una struttura completa, ad esempio un organo, che viene trasferita da una zona di un donatore ad una zona di un ricevente con lo scopo della ricostruzione di quest’ultima.

Essendo il trapianto d’organo il gold standard delle patologie, tutti i sistemi in alcuni casi costituiscono sistemi che fungono da ponte per il trapianto.

• Un dispositivo percutaneo è un dispositivo medico, sistemi che interagiscono con il nostro organismo, che attraversa la cute rimanendo in tale posizione per un significato lasso di tempo.

Chiara Arsieni

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Tutto ciò che abbiamo visto si colloca in una struttura complessa fatta da vari livelli. Man mano che si sale su questa sorta di piramide, aumenta la complessità. All’apice della piramide troviamo l’organismo, il quale è un insieme di organi che comunicano tra di loro, come se fosse un network che permette di avere quelle che sono le funzionalità più complesse, che andranno a definire la vita stessa dell’organismo. Al di sotto troviamo gli organi, struttura differenziata costituita da cellule e da tessuti, che hanno funzionalità ben distinte, le quali sono interconnesse tra di loro per formare l’organismo. La funzionalità degli organi è correlata in alcuni casi, in alcuni casi è diretta (cuore e organi). Alcuni comparti se perdono funzionalità, l’organismo può stare in piedi, continua a vivere (es. soggetto non vedente, continua a vivere con delle ridotte funzionalità, ma comunque è sostenuto da altri apparati, organi, che permettono il mantenimento della vita). Nel caso di un malfunzionamento a cuore o polmoni, l’organismo non sta in piedi, non riesce a svolgere alcune funzioni vitali. Sebbene gli organi stanno sullo stesso piano, hanno importanze differenti. Gli organi sono strutturati dai tessuti, insiemi di cellule tra loro correlate dal punto di vista morfologico e funzionale. Alla base della piramide abbiamo la cellula, l’unità strutturale del nostro organismo.

Quando facciamo riferimento agli approcci terapeutici, che sono basati sull’utilizzo di biomateriali, abbiamo fatto sempre riferimento a dispositivi medici. Il dispositivo medico, è un qualcosa che è strutturato per assolvere a una funzione di interazione con il nostro organismo.

Progettazione di un dispositivo medico

Approccio preliminare

Se dobbiamo pensare a come sostituire, supportare le funzionalità di un organo o di un insieme di organi, dobbiamo aver chiaro il processo da attuare per progettare al meglio il dispositivo, quindi dobbiamo definire i requisiti all’interno del quale dobbiamo inserire il dispositivo. Partiamo dal KNOW-HOW, dalla conoscenza, che è data da due aspetti fondamentali: 1. la conoscenza del corpo, dalla conoscenza dei tessuti che formano l’organo e delle funzionalità che vogliamo replicare con la nostra azione, 2. dobbiamo conoscere le proprietà della materia che andiamo ad utilizzare per attuare questo processo, quindi quelle che sono le proprietà dei materiali che andremo ad utilizzare per sopperire a queste funzionalità.

Avere e conoscere a pieno questi due aspetti (funzionamento dell’organismo e padronanza delle proprietà dei materiali), mi permette di assolvere al compito che mi è stato affidato, all’obiettivo di replicare o mimare la funzione di un organo o di un tessuto. Gli organi sono composti da più tessuti, che sono integrati per svolgere una determinata funzionalità, noi possiamo sostituire completamente l’organo oppure possiamo pensare di sostituire una parte di esso (es. patologie a carico del cuore: abbiamo una valvola cardiaca che non funziona perfettamente. L’approccio qual è? 1. Tolgo tutto il cuore e lo sostituisco con una pompa artificiale, 2. Faccio il trapianto con un cuore nuovo.

Lo stesso problema lo posso risolvere per esempio asportando la parte del cuore danneggiata, che è il tessuto valvolare, metto una valvola sintetica o da impianto, da donatore, e ho risolto il problema.).

Tutto questo è importante per raggiungere l’obiettivo posto, che è di replicare o mimare la funzione di un organo o di un tessuto, con il minimo sforzo, in maniera semplice ed efficace. Non ha senso nel caso di un malfunzionamento di una valvola andare a fare un trapianto di cuore, quando tutto il resto del tessuto è sano, lo si può fare, ma dal punto di vista dell’approccio ingegneristico, non è un approccio ideale. Per raggiungere il mio obiettivo, ho bisogno di investire sulla conoscenza del funzionamento e sulla proprietà dei materiali.

Dopo devo effettuare un’identificazione delle specifiche, cioè la durata di utilizzo (permanente o temporaneo, periodico), il luogo dove viene collocato (internamente, parzialmente o totalmente esterno), il tipo d’impianto e devo tener conto degli aspetti anatomici e fisiologici. Devo tener conto delle limitazioni, cioè degli ingombri, della forma, della geometria, dell’interfacce.

Chiara Arsieni

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Un altro aspetto da non trascurare è la soggettività, siamo tutti diversi, dobbiamo tener conto delle variazioni funzionali intrinseche del paziente.

Tutto questo va sotto il nome di Approccio preliminare ho un problema e metto sul tavolo tutti questi aspetti. Per risolvere questo problema, della realizzazione di un dispositivo medico che assolva delle funzioni specifiche, per ricomporlo e per realizzare il dispositivo, ho bisogno delle figure professionali, ognuna per le proprie competenze (infermiere, chirurgo, anestesista…), che possano dialogare con gli altri, per arrivare all’obiettivo posto, trovare la soluzione più semplice ed efficace al problema, guardando i vari aspetti. Devo tener conto dell’aspetto economico, che può essere a carico del sistema sanitario, delle assicurazioni private, del privato cittadino.

È necessario che tutti abbiano delle basi e competenze comuni, in grado di essere compresi da tutti.

Approccio globale

Il cardine del discorso è l’obiettivo, dove si vuole arrivare, quindi nella definizione dell’obiettivo, a quel punto penso a quale sistema devo mettere in piedi per risolvere il problema. Qui abbiamo la parte relativa all’utilizzo dei materiali e la parte funzionale. Passo alla realizzazione del prototipo. Penso, immagino che possa funzionare ed effettuo il prototipo. Una volta che ho il prototipo, successivamente faccio una valutazione, cioè prove sui materiali, prove sui componenti, prove sul prototipo, quindi vedo se il sistema funziona.

La differenza principale tra i 2 approcci, quelli preliminare e quello globale, sta nel fatto che ho questi feedback di retroattività, cioè in ogni punto dell’obiettivo posso operare a delle modificazioni dovute al fatto che la mia valutazione mi sta dando dei feedback. Se vedo che il materiale che ho pensato non funziona come dovrebbe, perché dalle prove sui materiali, ho pensato di fare un sistema impiantabile e ho pensato di utilizzare un certo polimero, comincio a fare le prove con il polimero nell’ambiente fisiologico e mi rendo conto che le proprietà meccaniche in quel polimero cambiano dopo un po’ di tempo dall’impianto. Se quel polimero non l’ho pensato come essere il core della tecnologia per l’impianto permanente, non lo posso più utilizzare. Per questo devo cambiare il materiale, addirittura posso arrivare a cambiare l’obiettivo, per cercare sempre il percorso più semplice ed efficace per trattare quel problema, in quanto l’aspetto economico è un aspetto importante.

Progettazione di un dispositivo medico

La realizzazione di sistemi artificiali che possano sostituire alcune funzionalità di organi all’interno del nostro organismo è assimilata ai dispositivi medici (questi sono una classificazione). Questo dispositivo medico va progettato.

Nella fase di progettazione troviamo una serie di requisiti che vanno rispettati, una serie di step che dobbiamo rispettare per avere come risultato finale qualcosa di funzionale all’applicazione che stiamo implementando.

• 1° fase Fase di identificazione dell’obiettivo, in questo caso dell’organo naturale: raggruppa una serie di operazioni finalizzate a definire le specifiche di progetto dell’organo artificiale, inclusa la raccolta di informazioni di carattere qualitativo su forme, pesi, sede anatomica, sede di accesso alla sede anatomica, funzioni e interfacce. Questa è la fase di pianificazione.
• 2° fase Fase di progettazione dell’organo: in questa fase si fanno i disegni, si definiscono le modalità di funzionamento, quindi si scelgono i materiali e la tecnologia per realizzare il dispositivo. Quindi in questa fase si implementa il lavoro. Questi dispositivi non sono creati con un solo materiale, ma sono più complessi perché sono realizzati da più materiali (per questo ci sarà una persona che si occuperà solo dello studio dei materiali. Ci sarà una tabella da cui si scelgono i materiali attraverso un criterio, per il tipo di applicazione che si deve effettuare).

Chiara Arsieni

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• 3° fase Fase di verifica: eseguiamo delle prove per verificare la validità di quello che abbiamo costruito. Queste prove vengono fatte su vari livelli, quindi si fanno le prove sui singoli materiali, si fanno le prove su materiali accoppiati, sui singoli componenti e sull’assemblaggio finale. Se superiamo questa fase e il dispositivo funziona, questo permette la fase successiva ovvero la produzione e uso di questo dispositivo sul mercato. Questa non è la fase conclusiva, perché per i dispositivi medici è fondamentale la fase del controllo post vendita.
• 4° fase Fase del controllo post vendita: c’è un team di persone che raggruppano una serie di informazioni e analizzano il dispositivo dopo la vendita perché si potrebbero scoprire delle anomalie come ad esempio sulle saldature di un circuito elettrico a lungo andare. Questo è molto importante perché gran parte delle problematiche sui dispositivi medici sono state scoperte grazie a questi feedback da parte dell’utilizzatore finale dopo la vendita sul mercato.

Non si può lasciare al singolo o all’azienda la possibilità di interpretare la normativa, questa deve essere chiara e valida per tutti. Se abbiamo chiarezza nell’interpretazione della normativa, riusciamo a realizzare dei componenti in maniera sicura soprattutto per i dispositivi critici che devono sempre funzionare (es. valvola cardiaca, se questa si blocca sul paziente, questo muore). Anche la scelta dei materiali bisogna farla in funzione della classe di rischio del mio dispositivo.

Innanzitutto per la progettazione di un dispositivo medico, troviamo prima l’identificazione di una necessità, ovvero identificare e curare la patologia o l’organo da sostituire. Possiamo trovare anche dei fini cosmetici, dovuto al ripristino delle funzionalità estetiche a seguito di patologie che hanno portato alla degenerazione o asportazione di parti di tessuto, quindi ricorriamo alla medicina estetica.

Nella fase di progettazione troviamo quindi l’interfaccia tra medico e ingegnere, per definire il pe