Appunti di Biomateriali

INGEGNERIA TISSUTALE METALLI

97A

104CCIAI INOSSIDABILI C-C

109EGHE DI COBALTO RT

109ITANIO E LE SUE LEGHE

INTRODUZIONE

Definizioni nel tempo

Definizione generale: sostanza utilizzata per costruire oggetti capaci di sostituire parti viventi originarie del corpo umano.

Ufficiale:

- 1974: sostanza inerte verso l'organismo e dal punto di vista farmacologico, progettata per l'incorporazione in un organismo vivente.

- 1982: sostanza di origine sintetica

azione. Questa reazione favorevole può includere l'assenza di tossicità, l'assenza di irritazione o infiammazione, la promozione della crescita cellulare e la capacità di integrarsi con il tessuto circostante. I biomateriali sono utilizzati in una vasta gamma di applicazioni mediche, come protesi, impianti dentali, dispositivi di rilascio di farmaci, scaffolds per la rigenerazione tissutale e molto altro ancora. La scelta del biomateriale appropriato dipende dalle specifiche esigenze dell'applicazione, come la durata prevista dell'uso, la resistenza meccanica richiesta e la compatibilità con il tessuto circostante. In conclusione, i biomateriali sono materiali progettati per interagire con il corpo umano in modo sicuro ed efficace, al fine di migliorare la salute e la qualità della vita dei pazienti.

Presenza cioè non deve essere rigettato. Le applicazioni si differenziano per il tempo o per il fatto che una di queste protesi potrebbe essere completamente impiantata, completamente esterni ma in contatto o parzialmente impiantati es cateteri edrenaggi.

Classificazione dei biomateriali

I biomateriali sono suddivisi in base alla loro composizione chimica in due macrocategorie ovvero metallici e non metallici.

I metallici a loro volta vengono divisi in ferrosi (acciai, le leghe, ferro) e non ferrosi (alluminio, zinco ovvero quelli che non contengono ferro).

I non metallici invece si suddividono in materiali organici (polimeri e non polimeri come legno o carbone) e inorganici (ceramici, ossido di alluminio, di magnesio, ossido di zirconio, silice).

È meglio però considerare una CLASSIFICAZIONE SPECIFICA ovvero si considera l'interazione tra il materiale e l'organismo.

1. Sulla base degli effetti prodotti dall'ambiente biologico sul biomateriale:
   • biostabili

(resistente all'interno dell'organismo) o biodegradabili (nel tempo viene degradato o completamente demolito dall'organismo). 2. In base agli effetti prodotti dall'interazione del materiale con i tessuti circostanti: - Bioinerti (nessun tipo di interazione con il tessuto circostante e non da neanche effetti negativi) - Biotossici (provoca reazioni avverse all'interno dell'organismo, da tossicità) 3. Bioattivi (pensati per stimolare una certa risposta biologica nell'organismo, es. stimolano la produzione di un certo tipo di cellule o la crescita dell'osso) 4. Bioriassorbibili (nel tempo vengono degradati per meccanismi biologici senza portare a danni dell'organismo, è anche biodegradabile e a volte potrebbe essere anche bioattivo) 5. Sulla base della loro composizione chimica: - Polimeri - Metallici - Ceramici - Compositi - Di derivazione biologica Esempi di materiali bioinerti: titanio, tantalio, alluminio e zirconio (alla base dei

materiali ceramici

leghe Co-Cr-Mo abbastanza bioinerti ma con il tempo potrebbero subire corrosione es di utilizzo nelle protesi al ginocchio che hanno causato tossicità.

Esempi di materiali biotossici: nichel che è un materiale cancerogeno, Cd è cancerogeno, V non è cancerogeno ma è tossico se si accumula nell'organismo, alcuni polimeri e acciai che corrodono e dannono tossicità.

Esempi di materiali bioriassorbibili sono i materiali polimerici come il policaprolattone es utilizzati per i punti di sutura che poi vengono riassorbiti.

Materiali polimerici

I polimeri (45% del mercato) sono molecole di grandi dimensioni (macromolecole) formata dalla ripetizione di unità uguali o diverse chiamati monomeri. Hanno lunghe catene lineari, ramificate o reticolitridimensionali.

Sono poco cristallini, in genere isolati, hanno bassa densità e basse temperature di decomposizione e ammollimento.

Polimeri solidi: gommosi, amorfi e biocristallini.

Buona compatibilità (usati in ortopedia, protesi e innesti vascolari, costruzioni di interi organi artificiali come cuore e rene) • Polimeri liquidi: gel, liquidi semi-solidi o liquidi (usati nelle lenti a contatto o nella chirurgia classica come riempitivi inerti insieme al silicone) • Polimeri miscibili con acqua: diluenti e/o sostituenti del plasma sanguigno per regolare o ripristinare i parametri fisiologici del sangue. Materiali metallici I metalli (30% del mercato) sono caratterizzati da: - legami metallici; - elevata cristallinità, buoni conduttori di calore ed elettricità, buona resistenza ad alte temperature e sono duttili. I più diffusi sono: acciaio inossidabile, lega di cobalto, titanio e leghe di titanio (per modulare al meglio le proprietà meccaniche). Sono utilizzati per protesi ed impianti ortopedici, pace-makers, impianti dentali e come parti di impianti e protesi come valvole cardiache. Potrebbero però avere problemi dibiocompatibilità: nel tempo possono rilasciare ioni potenzialmente tossici per l'organismo. Materiali ceramici I ceramici (5% del mercato biomedico): - sono inorganici e possono essere costituiti da un insieme di elementi metallici e non metallici, ad esempio, il fosfato di calcio (che comprende calcio, fosforo e ossigeno), hanno legami differenti alcuni ionici, altri covalenti - possono essere cristallini o amorfi, hanno elevata durezza, resistono ad alte temperature e sono estremamente fragili quindi non sono utilizzati per fare protesi. I più usati sono vetro, ossido di alluminio, ossido di zirconio, fosfato di calcio, idruri, solfuri, carburi, grafite e diamante. Vengono utilizzati per impianti ortopedici e otorinolaringoiatrici, come riempitivi delle ossa e per uso odontoiatrico o coperture di protesi metalliche. I materiali ceramici avanzati sono stati sintetizzati con particolari processi in modo da avere un livello di purezza eccezionale e quindi hanno particolarimateriali di derivazione biologica sono materiali ottenuti da fonti naturali come piante, animali o microrganismi. Questi materiali sono spesso biodegradabili e possono essere utilizzati in vari settori come l'edilizia, l'industria alimentare e la medicina. Alcuni esempi di materiali di derivazione biologica sono: - Legno: è un materiale ampiamente utilizzato nell'edilizia e nella produzione di mobili. È resistente, leggero e ha buone proprietà isolanti termiche. - Cotone: è una fibra naturale ottenuta dal cotone. È morbido, traspirante e resistente. Viene utilizzato per la produzione di tessuti e abbigliamento. - Pelle: è il materiale ottenuto dalla lavorazione della pelle degli animali. È resistente, flessibile e viene utilizzato per la produzione di calzature, borse e abbigliamento. - Lattice: è una sostanza naturale ottenuta dalla pianta di gomma. Viene utilizzato per la produzione di guanti, palloni e prodotti elastici. - Cellulosa: è un polimero naturale presente nelle piante. Viene utilizzato per la produzione di carta, cartone e tessuti. - Alghe: sono organismi acquatici che possono essere utilizzati per la produzione di bioplastiche, fertilizzanti e prodotti alimentari. Questi materiali di derivazione biologica offrono vantaggi come la sostenibilità, la riduzione dell'impatto ambientale e la biocompatibilità. Tuttavia, è importante considerare anche le loro limitazioni e la necessità di un'adeguata gestione delle risorse naturali.

Materiali di derivazione biologica (5% del mercato) sono in genere materiali naturali e sono in genere proteine o polisaccaridi e vengono applicati in ambito dermatologico o ingegneria tissutale.

I più usati: proteine naturali e polisaccaridi (collagene, gelatina, elastina, acido ialuronico).

Applicazioni: in dermatologia in combinazione con materiali sintetici, per ingegneria tessutale per ricostruire pelle, cartilagine, osso e vasi sanguigni.

Esempi di problematiche dei biomateriali:

• Non sempre l'applicazione di un biomateriale va a buon fine, ed esempi di problematiche sono:
• Il tempo di vita (per le protesi soprattutto): dopo un 8-12 anni vanno rimosse e sostituite, ma la rimozione comporta la perdita di una certa quantità di osso quindi una protesi si può sostituire una volta sola.
• Possibile formazione di biofilm batterici all'interfaccia protesi/organismo: quando innesco una protesi nell'organismo alcuni microrganismi potrebbero andarsi a depositare.

sulla superficie dellaprotesi, tra cui il più comune un batterio (lo stafilococco) e va a creare delle colonie, formando delle sacche praticamente impermeabile a qualsiasi tipo di antibiotico. Con il tempo questa infezione batterica potrebbe causare grossi problemi, portando quindi alla rimozione della protesi. Questo è importante per quanto riguarda quei biomateriali che non sono completamente inseriti nel corpo, ma in quelli parzialmente inserite al corpo per esempio cateteri. - Mobilizzazione asettica degli impianti: lisi/degrado dei tessuti che circondano la protesi che avviene per causa meccanica. La protesi all'anca è fatta da un incontro di materiali differenti, di solito una coppa polimerica all'interno della quale viene inserita una sfera metallica, poiché essa è applicata ad una gamba lavora di continuo e c'è un continuo sfregamento tra i due materiali con durezze differenti e questo con il tempo genera una rimozione di.

Piccole particelle di polimero che possono essere rilasciate nei tessuti circostanti e che l'organismo vede come qualcosa di estraneo e cerca di rimuoverle liberando enzimi che hanno il compito di aggredire queste particelle, andando a colpire però anche il tessuto sano causando necrosi a questi tessuti circostanti.

LEGAME CHIMICO

1. Legami forti o primari:
   • Legame ionico
   • Legame covalente
   • Legame metallico
2. Legami deboli o secondari:
   • Legami dipolari (interazioni ione-dipolo o forze di van der Waals)
   • Legami a idrogeno

Legame ionico: attrazione elettrostatica tra ioni di carica opposta, in genere tra un metallo e un non metallo. Il metallo cede elettroni al non metallo che ha alta affinità elettronica, quindi si formano due specie cariche: anione e catione con simmetria sferica e raggi ben precisi. Negli alcalini, dal litio verso il basso, il raggio tende ad aumentare. Passando dalla specie neutra alla specie positiva, il raggio tende a diminuire.