Appunti del corso di Biomateriali

SISTEMI DI PROTEZIONE

• Rivestire la superficie metallica di uno strato impermeabile: bisogna stare attenti a

possibili difetti. Perché non è possibile isolare elettricamente i metalli usati nel mondo

biomedicali? Perché i materiali usati per isolare potrebbero essere non biocompatibili. In

alcuni casi è possibile: materiale dà passivazione e applicazione dell’idrossiapatite che è un

ceramico, quindi isolante elettrico. Quest’ultimo non lo usiamo principalmente con lo scopo

di isolante elettrico, ma ha anche questa proprietà.

• Rivestire un metallo (ferro) con un altro metallo con potenziale standard di riduzione più

basso (es. Cromo, nichel) così che si ossidi ed eventualmente passivarsi ANODO

à

SACRIFICALE

N.B. se uso un metallo con potenziale meno negativo (es. rame) devo assicurarmi che lo

strato protettivo sia assolutamente continuo altrimenti avviene una corrosione galvanica.

• Protezione catodica: l’oggetto da proteggere viene collegato ad un elettrodo più negativo

formando una pila il cui elettrodo esterno si ossida al posto dell’oggetto. NON applicabile

• Protezione catodica a corrente impressa: soluzione NON applicabile, consiste

nell’applicazione di un potenziale, di una sorgente che imprime corrente continua.

Esistono norme prescritte dalla ASTM, che permettono di valutare propensione di corrosione

dei materiali.

Protesi cementata o non cementata: non cementata è quando non vi è perfetta continuità,

protesi “balla” all’interno dell’osso e c’è bisogno di tempo per stabilizzare l’impianto

riabilitazione lunga

à

Cementata quando chirurgo applica del PMMA nel cavale scavato nell’osso. È una pasta

fluida quindi quando si inserisce la protesi si “spalma” su tutta la superficie ossea e in pochi

minuti si solidifica e si stabilizza fin da subito PMMA è un RIEMPITIVO

à

Per l’eHetto della polimerizzazione vi è un innalzamento locale importante di temperatura

(reazione esotermicaà 80/100 gradi): si causa la necrosi termica delle cellule vicine. Inoltre,

è presente del sale di solfato di Bario (tossico causa necrosi chimica) nel PMMA per poter

à

visualizzare il mantello di PMMA ai raggi x e valutarne l’interezza.

PROGETTAZIONE VITI ENDOSSEE

Obiettivo: trovare un metodo per la progettazione di impianti endossei che permettano una

migliore integrazione tra impianto e tessuto e una guarigione più rapida.

Conoscenze di base:

• Titanio biocompatibile

• La morfologia superficiale incide sulla capacità di osteointegrazione

• Sequenze peptidiche che facilitano l’osteointegrazione

Per avere osteointegrazioni lavoro sulla superficie del dispositivo (in questo caso vite): lo

rendo rugoso perché ciò garantisce permanenza, una superficie liscia no. Osteoblasti

preferiscono superfici rugose, aderiscono meglio e producono tessuto osseo. Non c’è

consenso unanime sul livello di rugosità, ma sul fatto che sia meglio una superficie rugosa sì.

à Controllo biochimico

Applicare alla superficie del materiale, una volta impressa rugosità, delle biomolecole che

favoriscano adesione cellulare. Quando avviene riconoscimento tra biomolecola e recettore,

l’osteoblasto è indotto ad aderire. Che molecole scelgo? Fibronectina capisco

à

direttamente da come funziona ECM in natura. Le proteine PERÒ sono delicate perché la loro

attività è strettamente legata alla loro struttura. Se danneggiassi la superficie, potrei andare a

cambiare forma di proteine che diventano inutili. Cosa applico al loro posto? Peptidi che

sono più piccoli. Dunque, mi faccio ispirare da natura e non uso la proteina intera, ma prendo

dei peptidi portatori di informazioni specifiche detti domini.

RGD= peptide adesivo, difetto: versatilità, agisce nei confronti di più tipi cellulari, ma io voglio

solo osteoblasti; quindi, potrebbe andare a favorire adesione anche di altre molecole come i

fibroblasti permettendo creazione del tappo fibrotico che non voglio. I peptidi sono più stabili

e più facilmente sintetizzabili in laboratorio.

à TRATTAMENTO SUPERFICIALE

Abbiamo creato cilindri cavi in titanio che imita endosseo molto piccoli perché adatti al

coniglio in cui faremo la prova. Cilindri trattati con tecniche di modifica superficiale e rivestiti.

Trattamento superficiale:

• freso il cilindro

• sabbiatura: particelle abrasive vengono sparate conto il titanio, l’impatto meccanico

permette di perdere del materiale così da creare irregolarità sulla superficie

• attacco da parte di acidi

Superficie SL: superficie sabbiata in superficie. Presenta:

- Profili irregolari

- Rugosità grossolana

- Imperfezioni di diverse dimensioni e grezzi

Questa superficie non è ideale, dunque attacco con acido Superficie SLA: acido

à

permette di ammorbidire i picchi dei difetti SL e aggiunge microrugorosità. Si ottiene una

struttura alveolare microporosa, compatta ed uniforme.

02/05

à Rivestimento: SOL-GEL

Realizzo network inorganici usando monomeri alcossidi di silicio:

Idrolizzazione dell’alcossido formazione sospensione

à

colloidale condensazione di una fase gel

à

Questo metodo (dip-coating) ha alcuni vantaggi:

• Lavoro a temperatura ambiente: un gran vantaggio,

perché il peptide è già intrappolato nel gel e si

danneggerebbe per temperature intorno ai 50-60°C

• Comportamento bioattivo del film di silice

• Buona quantificazione del peptide depositato. Posso

misurare volume di silice a lordo della rugosità

Interessa ora comprendere le caratteristiche e le diHerenze tra il cilindro in SLA e SLA + film di

SiO ottenuto col dip-coating. Per ottenere i parametri su cui compiere i ragionamenti si sfritta

2

la AFM, tecnica microscopica che scansiona superficie e ricostruisce in 3D il profilo della

superficie. Con questa tecnica si notano diHerenze tra le superfici. L’obiettivo è che la

morfologia della superficie sia molto simile alla precedente.

à Analisi/Parametri rugosità

Ci sono innumerevoli parametri, a seconda di cosa si vuole valutare. Il più importante è S ds

che guarda quanti picchi ci sono in una unità di superficie, cioè la densità di picchi. La

rigorosità media è un integrale, non è un buon stimatore della rigorosità superficiale. Vengono

valutati anche altri parametri. I dati ottenuti sono tutti in grandezza dei nanometri. È una

dimensione molto piccola, più piccola delle cellule. Preferirei usare una scala micrometrica,

più simile alle dimensioni delle cellule. Quindi al posto della AFM uso un altro strumento: il

PROFILOMETRO. Funziona come un giradischi e con una puntina che scorre sulla superficie e

acquisisce i valori di rugosità mediante i vari picchi. Si osserva che lavorando sulla scala dei

micrometri la morfologia risulta fondamentalmente identica, verificando l’obiettivo di avere

morfologia costante.

Adesso bisogna valutare la cinetica di rilascio

Il rilascio del peptide da parte del cilindro deve avvenire nella giusta finestra temporale: non

può essere né troppo veloce né troppo lenta (RISPETTO AI TEMPI DI RECLUTAMENTO DEGLI

OSTEOBLASTI):

se troppo lenta, il fattore di adesione risulta ineHicace, il peptide non favorisce

à

l’osteointegrazione

se troppo veloce, il fattore di adesione favorisce l’osteointegrazione in una zona lontana dal

à

cilindro e quindi inibisce l’osteointegrazione perché gli osteoblasti sono già “soddisfatti” in

una zona distante dall’impianto

Prima del modello in vivo, si sono eseguite delle prove con saggi in vitro:

Sono stati utilizzati come substrato dischetti in Ti con le stesse caratteristiche superficiali dei

cilindri

Tale test consente di indagare la relazione dose-risposta e determinare la concentrazione

superficiale ottimale del peptide di adesione.

Vi è difatti una finestra ottimale in cui si ha una adesione ottimale. Osserviamo che è una

curva a campana, non una dipendenza lineare. Quindi con alta concentrazione non

necessariamente sia ha adesione massima. Sono risultati che si ottengono solamente per via

SPERIMENTALE.

Tali dati si ottengono dopo che si sciacquano le cellule in eccesso e si colorano le cellule che

hanno aderito e si valuta la densità ottica. Dagli esperimenti si ottengono i seguenti dati:

• Prima colonna solo titanio adesione 100%

à

• Titanio sabbiato, coperto di acido e coperto di silice

adesione ha 11% in più

à

A questo punto vario la concentrazione di peptide

sulla superficie e osservo 2 cose:

grafico a campana

à con concentrazione del peptide 0.23 si ha

à

MASSIMA adesione 33.28% in più

SOLO dopo lo studio in vitrio si può passare alla applicazione reale: SAGGI IN VIVO

Si usano cilindri cavi perché:

• Più facile da tagliare

• Evitano di produrre contropressioni nell’inserimento durante la fase chirurgico

Nel modello animale si usano i conigli: si inseriscono cilindri diversi

(uno SLA+silicio e l’altro anche con peptide nella concentrazione

massima ottenuta) nei due femori così paragonando i due posso

comprendere l’eHetto della presenza del peptide.

Si preleva ad altezze identiche, perché l’osteogenesi è diversa lungo

l’osso. L’obiettivo è vedere se il peptide contribuisce alla osteogenesi,

dunque per isolare il suo contributo devo fare un confronto con il

risultato dato da cilindro privo dei peptidi.

La porzione di osso viene inclusa in araldite (un materiale rigido) e poi

si analizzano i reperti istologici in fluorescenza. Ciò è permesso grazie al marcatore di

Calcein Green (marcatore di calceina) che viene dato da mangiare al coniglio.

Il gruppo di conigli studiati è suddiviso in due sottogruppi, il primo è sacrificato a 2 settimane

e il secondo a 4 così da valutare anche l’andamento nel tempo.

A DUE SETTIMANE Grazie al marcatore si osserva attività

osteogenica maggiore nei campioni

arricchiti da peptide

OSS si ha osteogenesi comunque in

entrambe le situazioni

07/05

TRATTAMENTI SUPERFICIALI

Trattamenti FISICI sulla superficie

❑ trattamenti meccanici (di asportazione)

• levigatura (di finiture diverse) con abrasivi

• sabbiatura

❑ trattamenti CHIMICI

• passivazione

• attacco con acidi

OBIETTIVO SPERIMENTALE è