Applicazioni ingegneristiche in ambito biomedico

Biocompatibilità

La chirurgia in associazione con lo sviluppo degli anestetici e gli antibiotici, viene messa a punto la tecnica di trapianto d’organo.

• Rigetto → terapia farmacologica

I nuovi sviluppi della medicina sono:

• Evidence-based medicine: i medici devono curare i pazienti tramite una medicina più evoluta e usufruendo della letteratura.
• Medicina personalizzata: per terapie più personalizzate, clinical-data management. Devono poter accedere allo storico data del paziente.
• Necessità tecnologiche

Il primo problema per gli organi artificiali è la biocompatibilità.

• Tutti i materiali utilizzati nel loro: in teoria non sono biocompatibili.

Il problema della biocompatibilità dei materiali artificiali con l’organismo umano coinvolge la superficie che è a contatto con il sangue.

• Bisogna caratterizzarne a chimica, la morfologia, le relazioni anche elettriche del materiale.

→ Risposta biologica rispetto dell’interazione delle proteine (es. coagulazione).

complessa risposta biochimica a uno

dei materiali "estranei" all'organismo

PROTEINE

• fibrinogeno
• fibronectina
• vWF
• fattore coagi.

PROPRIETÀ SUP

• chimica
• morfologia
• anche el.

BIOLOGICHE

• piastrine
• endothelina
• batteri

biologica

risposta plasmatica

emostasi

coag.

neut.

NF

• Il sangue esercita numerose funzioni
• respiratoria (scambio ossigeno CO2)
• nutritiva
• escretice
• termoregolatrice
• equilibrio idrico e acido-basico
• difesa
• coagulante

La piastrina quando viene attivata, cambia la forma

• fuzione
• vengono rilasciate i fattori di crescita

• granuli α:
• coagulazione: VWF, fibrinogeno fattore V, X, XI, XII
• adesione: GPIba-IX-V, αIIβ3, αPI
• infiammazione: P-selection, chemokine, caltacline
• fattore crescita - fattori conquez.
• granuli δ:
• serotonina, ADP, ATP, Ca²⁺, nucleo. di colione
• Lysosomi: enzimi proteolici, enzimi di movasi

È quindi estremamente importante non toccare la forza e funzione della piastrina attivata parte a cascata della coagulazione

Poi avviene per due vie, una legata al danno del tessuto e una legata alla cascata della coag.

• Se c'è una superficie esterna, si ha immediatamente la cascata della coagulazione
• Si distinguono 2 vie:
• intrinseca
• estrinseca

Convergono a una via comune al fattore X

ci sono 2 PROBLEM

• se l'antigene è una molecola normale esempio che si introduce con il cibo
• ANOMALIA
• se gli anticorpi sbagliano e riconoscono un antigene ma è in realtà una molecola dell'organismo → REAZIONE ANTIGENE

La molecola (un) anticorpo è costituita da 2 sub unità legate tra di loro (ponti di solfuro) quindi c'è un'omotipia di:

1. ordinario → due | ordinario lungi → costante
2. due o colonna corta → variabile

VARIABILE

COSTANTE

LA PARTE VARIABILE si lega all'antigene

1. Wikipedia
2. l'attivazione dipende dell'intervento dei 3 proteine del complemento, C1, C4 e C2 con il complesso antigene anticorpo.

La reazione comincia con il legame del C1 alle immunoglobuline IgG fisse ad un antigene.

VIA CLASSICA

La molecola del complemento si lega agli anticorpi il complemento si attiva quando vengono impegnate tutte siti di legame.

Si staccano la frazione C1q e C1q i quali producono un'ulteriore azione enzimatica su C2 che produce una reazione che attiva C2:

C2 si divide in C3a e C3b

BISOGNA STUDIARE come un MATERIALE INTERFISCE con una PROTEINA se le proteine le posso neutralizzare in un solvente alterando la solubilità di una proteina che può malle e esatto con le interfaccie che contengono una quantità molta di proteine.

Metto in contatto le soluzioni con il materiale, e osserviamo dei siti di legame che permettemo alla proteina di interagire con il materiale. La densità dei siti di legame occupati mi dà un'idea di quanto il materiale fa adsorbire le proteine.

Il DISTACCO di una proteina dai siti di legame ha un andamento esponenziale negativo.

K << poco affinità della proteina x il materiale.

K >> alta affinità.

DOSAGGIO DI LABORATORIO DELLE CONCENTRAZIONI di proteine

• Dosaggio della quantità di proteina adsessa su una superficie
• Distacco della proteina dello S e sospensione in un volume noto
• Dosaggio della proteina in una soluzione
• Dosaggio di tipo colorimetrico o ELISA
• Stima conc. proteina
• Mole di proteina

STRATEGIE PER EVITARE LA COAGULAZIONE DEL SANGUE SULLE SUPERFICI ARTIFICIALI

• Materiali che presentano superfici a cui aderisce poco fibrinogeno
• Modificazioni superficiali per influenzare la deposizione delle proteine

Eparina (anticoagulante)

• Blocca la cascata della coagulazione
• Non blocca l'adesione delle piastrine
• Somministrazione nel sangue
• Continua la sua azione nel sangue (rischio di emorragia)

Varfarina (anticoagulante)

• Terapia cronica (pazienti con valvole cardiache artificiali)

I trattamenti superficiali potrebbero risolvere il problema, lasciando invariato il materiale ma avendo un rivestimento superficiale, potrei utilizzare direttamente l’eparina. L’eparinazione è spesso usata anche per un prelievo di sangue, mettendo l’eparina nella provetta. Si riesce a eparinare le superfici semplicemente con il contatto. Se devo utilizzare un dispositivo in contatto con il sangue per tanto tempo e il sangue scorre l’eparina deve essere BLOCCATA sulla superficie. Devo trovare un sistema che mi permetta di fissare l’eparina ai siti di legame del materiale.

Some Clinical Devices that Currently Use Surface Heparinization

Approved Medical Devices Using End-point Attached Heparin:

• Medtronic Maxima Oxygenator- Cardiopulmonary Bypass Circuit: CE Mark and FDA Approval
• The Diametrics Paratrend Intravascular Blood Gas Sensor Catheter: CE Mark and FDA approved
• The Pharmacia CeeOn Intraocular Lens: CE Mark and FDA Approval
• The Berlin Heart ventricular assist devices EXCOR and INCOR: CE Mark
• The Cordis Bx Velocity Coronary Stent Hepacoat: CE Mark and FDA Approval

Le superfici dovrebbero essere simili all’endotelio ma l’endotelio ha il glicocalice, le uniche molecole che hanno questo effetto sono le molecole legate all’ossido del polietilene, crea una ramificazione simile al glicocalice. Il polietilene lega gli atomi di carbonio con gli atomi di ossigeno. Se la nistra catena invece che avere collegati gli atomi di carbonio con l’ossigeno sostituisce uno di questi legami con un atomo di idrogeno (2 C e 4H quando si collega 2C e 1H ottengo una catena

L'accesso vascolare viene realizzato tramite un ago in un vaso venoso e un altro ago nel vaso arterioso.

Siccome abbiamo bisogno di avere una portata di 300 ml/min (le arterie non vi arrivano - brachiale ≈ 100 ml/min)

• Shunt arterovenoso

ottengo un flusso di sangue che può passare liberamente da un letto ad alta pressione a quello a bassa pressione escludendo la resistenza della circolazione alla mano → sindrome furto

• Il flusso arriva a 500/600 ml/min

Il problema nell'accesso vascolare è avere un flusso che non si muove in modo fisiologico (rami circa di 180°), fa aumentare le dimensioni delle vene

• Vena arterializzata (maturata) - crea a monte
• Dopodiché posso iniziare la dialisi

Fistola arteriovenosa → connessione chirurgica tra un'arteria e una vena del braccio

• Flusso 400-450 ml/min per avere un trattamento efficiente
• Pervietà a lungo termine