Appunti Biomateriali

TISSUE ENGINEERING

La tissue engineering rientra nella medicina rigenerativa, che è un concetto alla base

dell'ingegneria tessutale molto semplice teoricamente, ma nella pratica è una disciplina piuttosto

complessa.

Un esempio di applicazione è il processo per cercare di riparare una cartilagine

danneggiata.

Si parte dal paziente da cui si prelevano delle cellule staminali, che vengono

isolate e fatte proliferare, quindi differenziare in cellule che creano tessuto

cartilagineo. È poi possibile eseguire delle culture in una matrice liquida di

idrogeno (polimero allo stato liquido) che può essere reinnestato nel paziente con

il tentativo di riparare la cartilagine.

Questo, in genere, è un approccio non troppo invasivo e con buoni risultati per persone

mediamente giovani con un'attività cellulare piuttosto attiva.

N.B le cellule staminali sono cellule indifferenziati, quindi possono diventare qualunque cellula

presente nel nostro organismo.

La creazione ed espansione della cultura cellulare viene fatta mediante opportuni stimoli. Questi

possono essere fattori di crescita e di natura fisica e avvengono all'interno di un ambiente protetto

chiamato bioreattore. in esso vengono mantenute condizioni di temperatura e di pH costante.

Esempi di applicazioni mediche e chirurgiche della tissue engineering riguardano:

tessuto cardiaco

• vasi sanguigni ingegnerizzati

• tessuto osseo ingegnerizzato

• tessuto del fegato ingegnerizzato

• cornea ingegnerizzata

• guarigione di ferite

• drug delivery

•

MATERIALI BIOATTIVI

I materiali bioattivi, contenenti calcio e fosforo, consentono la formazione di un legame chimico

all’interfaccia materiale – impianto, ottenendo una stabilizzazione dell’impianto (proprio da un

punto di vista meccanico).

La formazione di questo legame tra materiale e impianto si definisce

osteointegrazione, cioè una reazione chimica tra il tessuto osseo e il materiale

che riveste la protesi.

Il materiale bioattivo più utilizzato è l'idrossiapatite in quanto ha una formula

chimica (Ca (PO ) (OH) ) molto simile alla formula chimica della fase minerale dell'osso. Questo

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significa che quando il tessuto osseo vede questo sottile strato depositato sulla protesi la riconosce

come un qualcosa di affine e inizia a legarsi chimicamente con questo materiale.

Di conseguenza avremo una osteointegrazione e l'integrazione vincolata dell'impianto genererà

anche la formazione di tessuto vitale che corrisponde a una diminuzione della possibilità di

formazione di tessuto fibroso all'interfaccia.

Quest'ultimo si forma tra il materiale e il nostro organismo quando abbiamo totale inerzia, quindi

quando il materiale che costituisce il dispositivo è un materiale bioinerte, e funziona come scudo

protettivo proteggendo il materiale dall'organismo e l'organismo dal materiale.

CRITERI DI CLASSIFICAZIONE DEL BIOMATERIALE

Un biomateriale viene può essere classificato in base:

Alle aree di applicazione

 Ad aspetti chimico strutturali

 Alle interazioni con i tessuti viventi dell'ambiente biologico circostante.

 In questa sezione ne ricade la divisione dei materiali in bioattivi, cioè quando il materiale ha

un'interazione chimica positiva con l'organismo circostante (esempio: l'idrossiapatite), e inerziali.

CLASSIFICAZIONE IN BASE ALLE AREE DI APPLICAZIONE

Un biomateriale può essere utilizzato per:

a) Sostituzione di parti malate o danneggiate (come articolazioni artificiali)

b) Assistenza ad un tessuto o organo nel ripristino delle funzionalità (come suture)

c) Miglioramento delle funzionalità (come pacemaker)

d) Correzione anomalie funzionali (come distrattori spinali, cioè dispositivi utilizzati per pazienti che

hanno problemi alla spina dorsale. Questi vengono collegati alla prima vertebra spinale,

corrispondente all'ultima cervicale, e all'ultima spinale, quindi subito prima del bacino, mediante

degli uncini. Sostanzialmente tali dispositivi sono delle sorti di molle che essendo ancorate alle

vertebre, pongono in trazione la spina dorsale effettuando a tutti gli effetti una distrazione e della

spina dorsale)

e) Correzione problemi estetici (come la plastica mammaria, che viene utilizzata per la ricostruzione

del seno dopo la rimozione a causa di tumori)

f) Ausilio diagnostico (come i cateteri)

g) Ausilio terapeutico (come cateteri e drenaggi, utilizzati nei processi di rimarginazione e

cicatrizzazione dei tessuti dopo un intervento chirurgico per favorire la cicatrizzazione)

CLASSIFICAZIONE IN BASE AD ASPETTI CHIMICO STRUTTURALI

Metalli

 Hanno come vantaggio più importante di avere elevate caratteristiche meccaniche, ma

presentano anche un'elevata resistenza all'usura sotto opportune lavorazioni superficiali. Infatti,

devono essere estremamente lisci e per questo subiscono le lavorazioni a specchio in modo da

minimizzare le problematiche legate all'attrito.

Eccezione: un materiale che fa eccezione all'elevata resistenza all'usura è il titanio che

generalmente grippa quando posto in contatto con sé stesso. Quindi non è un buon materiale

da utilizzare sotto condizioni di sfregamento.

Presentano, però, una scarsa biocompatibilità, in quanto sono materiali che vanno incontro a

processi di tipo corrosivo e a seguito di essa vengono rilasciati degli ioni metallici nei tessuti. Quindi

si possono creare dei fenomeni metallosi che scatenano delle reazioni avverse da parte del

nostro organismo (processi infiammatori).

Eccezione: il titanio perché a contatto con l'ossigeno si ossida e forma uno strato di ossido

superficiale che lo protegge dai fenomeni di tipo corrosivo.

Altri svantaggi sono un'elevata rigidità (hanno un modulo elastico molto elevato e quindi a

contatto con il tessuto osseo possono prevenire le sollecitazioni meccaniche sul tessuto

circostante, le quali sono molto importanti per mantenere in salute il tessuto) e un’levata densit

(quindi sono materiali pesanti).

Esempi: acciai, titanio e leghe di cobalto (metalli più utilizzati in ambito medicale) per

Ceramici

 Come principali vantaggi dei materiali ceramici abbiamo una buona biocompatibilità (cioè non

provocano grosse problematiche reattive da parte dei tessuti), un'elevata resistenza a

compressione e sono resistenti anche alla corrosione. Quest'ultima è una problematica

importante all'interno del nostro organismo avendo sostanze altamente aggressive.

Il loro principali svantaggi riguardano la fragilità e la difficoltà di lavorabilità (infatti l'unica post-

lavorazione possibile è la lucidatura mediante le teste diamantate). Inoltre, presentano una

bassa resistenza alla trazione, che li rende scarsamente affidabili meccanicamente, ed hanno

un'alta densità.

Esempio: ossidi di alluminio e zirconia, alluminati di calcio, carboni bioattivi

Polimeri

 I polimeri hanno come vantaggio di essere tenaci ehm e avere bassa densità, quindi pesare

poco permettendo di realizzare materiali estremamente leggeri. Inoltre, sono facilmente

lavorabili e anche piuttosto economici.

Il principale svantaggio dei polimeri e la loro bassa resistenza meccanica. Inoltre, hanno una

degradazione elevata nel tempo in quanto non mantengono una stabilità da un punto di vista

chimico essendo sensibili all'azione di acidi e solventi, ma anche alle radiazioni ultraviolette.

Esempio: silicone, polietilene, poliestere per

Compositi, che uniscono due o più materiali appartenenti alle altre classi.

 Hanno una accettabile, ma non ottimale, biocompatibilità e presentano buone caratteristiche

meccaniche (vengono proprio realizzati per migliorarle). Sono inoltre resistenti a corrosione.

Il loro principale svantaggio riguarda la scarsa coesione fra i componenti. Inoltre presentano una

difficile lavorabilità perché il materiale diventa particolarmente viscoso (poco fluido)

Esempio: metalli rivestiti con ceramici

Materiali biologici

 Il loro principale vantaggio è di avere un'ottima biocompatibilità soprattutto nel caso in cui

derivino dallo stesso paziente.

Il loro svantaggio riguarda la scarsa affidabilità e difficoltà di trattamento e conservazione in

quanto si devono abbattere completamente i rischi batteriologici e possono pregiudicarne le

attività meccaniche. La conservazione avviene generalmente attraverso trattamento in

glutenaldeide e azoto liquido (quindi a temperature molto basse).

Esempio: vene e valvole cardiache

N.B le eccezioni del titanio fanno in modo che questo materiale sia diventato il materiale principe

nella realizzazione di dispositivi medicali

CLASSIFICAZIONE IN BASE ALLE INTERAZIONI CON I TESSUTI VIVENTI CIRCOSTANTI

N.B: In passato la ricerca si è concentrata su quei materiali che reagiscono poco con i tessuti

(materiali inerti) e scatenano bassissime reazioni da parte dei tessuti circostanti. Una certa inerzia è

ancora oggi un obiettivo importante, ma in realtà nel corpo umano non vi è nulla di

completamente inerte. Inoltre, oggi si tende a sfruttare ogni tipo di interazione positiva che si possa

creare fra materiale ed organismo ospite.

Suddividiamo in base a come il tessuto reagisce a contatto con il materiale in:

Biotossici, cioè materiali tossico per l’organismo che come conseguenza causa atrofia, (il tessuto

➢ si ritira per difendersi dalle sostanze tossiche e può portare all’innesco di necrosi, quidni in

situazioni anche gravi di tumori), trasformazioni patologiche o rigetto da parte del tessuto vivente

a seguito di processi chimici, galvanici o di altra natura.

Esempi: vanadio (anche se può essere presente in piccole percentuali nelle leghe di titanio per

migliorare le sue proprietà) o i metilmetacrilato (monomero altamente tossico, ma che nei

processi di polimerizzazione viene utilizzato per la formazione del cemento osseo)

Bioinerti, che presentano una pacifica coesistenza con il materiale senza modifiche degne di

➢ nota, perché abbiamo una separazione dal materiale mediante tessuto fibroso a spessore

variabile

Esempio: titanio (per lo strato di ossido superficiale che lo rende altamente biocompatibile) e

ossidi di allumina e zirconia (ceramici inerti perché hanno livello di degradazione che superano i

250 anni)

Bioattivi, cioè avviene la formazione di legami chimici diretti con la superficie del materiale e

➢ crescita spontanea.

Esempio: idrossiapatite ad elevata densità (con poche porosità)

Bioassorbibili, ovvero quei materiali che hanno una dissoluzione graduale del materiale da parte

➢ dell’organismo, rimpiazzo senza fenomeni tossici o rigetto associati

Esempio: calcio fosfato tribasico e idro