Domande aperte esame Biomateriali

DOMANDE APERTE

SIMULAZIONE PARTE 1

1. Giustificare brevemente perché per le applicazioni in impianti ortopedici articolari sceglieresti sia un

materiale che si ossida facilmente che uno resistente ai fenomeni ossidativi. (max 10 righe)

Si deve formare uno strato protettivo che non faccia ossidare la parte interna. Nel primo caso si deve

ossidare facilmente e si deve creare velocemente uno strato protettivo e lo stesso vale nel secondo caso, se

il materiale è attivo-passivo allora la parte interna resiste all’ossidazione. Bisogna creare un ossido

abbastanza spesso e omogeneo ma non troppo tramite ASD (che crea un ossido poroso). Nel secondo caso,

non creando autonomamente un ossido il materiale può essere direttamente ossidato tramite passivazione

senza trattarlo precedentemente con acido nitrico per rimuovere l’ossido già presente in modo da ottenere

un ossido omogeneo. Il trattamento sarà più lungo perché l’ossido si formerà in molto più tempo quindi è

consigliato usare ASD che di per sé crea già uno strato molto più spesso di ossido. È meglio avere un

metallo, che un po’ si ossida da solo quando perde lo strato formato per passivazione.

SIMULAZIONE PARTE 2

2. L'immagine riporta il titanio modificato come vedete in figura e

sono presenti anche ioni fluoro. Come potrebbe essere stato

ottenuto? Giustificare le vostre ipotesi (importante).

Sabbiatura + attacco acido con acido fluoridrico. Sia l’acido fluoridrico che quello cloridrico possono essere

usati per rendere rugose le superfici.

3. Quale potrebbe essere lo scopo di questa modifica?

Favorire l’osteointegrazione (rigenerazione ossea). Col trattamento acido puoi sia rimuovere l’ossido nativo

che dare rugosità. Anche con la sabbiatura dai microrugosità perché non fai una struttura microporosa,

quello lo fai con le tecniche elettrochimiche.

4. Come valutare che sia efficace per lo scopo per cui è progettato? Elencare gli aspetti da valutare,

ordinandoli in sequenza logica.

1. Verificare la quantità di HA depositata in condizioni simil-fisiologiche permette di capire se un

materiale favorisce la deposizione di CaP

2. Valutare l’adsorbimento di proteine

3. Verificare l’adesione cellulare

4. Valutare la superficie in un sistema biologico complesso

5. Commentare le tecniche che ritieni più convenienti per limitare la colonizzazione batterica su una

superficie

L’idrofobicità diminuisce la colonizzazione batterica, è dunque possibile creare un pattern nanometrico

(“nanostrutturare la superficie”), produrre una struttura nanometrica combinata ad una micrometrica,

abbinare al controllo della morfologia/geometria quello di altre proprietà della superficie (es. chimica,

bagnabilità) oppure creare una superficie lucidata a specchio. In quest’ultimo caso non dai modo ai batteri

di aderire, d’altro canto non lo dai nemmeno alle cellule, ma la domanda è incentrata sui batteri.

TEST AUTOVALUTAZIONE 2

6. Nella figura sono riportate due immagini SEM di

allumina. Come sono stati prodotti i materiali

nell'immagine?

Sono stati entrambi prodotti da polveri. Il processo è la sinterizzazione essendo materiali ceramici avanzati.

Le polveri sicuro erano diverse, in A ho polveri grandi 40-50 micron e può darsi che ci fossero polveri con

granulometria molto elevata oppure i grani sono cresciuti durante il processo di sinterizzazione. In B i grani

sono rimasti piccoli quindi oltre a partire da polveri molto fini (1 micron) ho aggiunto qualcosa che limita

l’accrescimento dei grani. Inoltre le polveri del materiale A non solo sono grandi, ma anche ampiamente

distribuite come dimensione, ci sono granelli molto grandi e altri piccoli mentre in B i granelli sono tutti

omogenei. La porosità in A è molto più elevata che in B e su questo può aver agito il processo di

produzione, ci può essere un problema di compattazione delle polveri che ha inglobato aria, oppure in B ho

applicato l’HIP (hot isostatic press) quindi sovrappressione durante la sinterizzazione. Ulteriore trattamento

termico dopo la trattazione. L’immagine A rappresenta una situazione in cui la sinterizzazione delle polveri

non è completa, la porosità è dunque residua e i grani sono di grosse dimensioni. L’immagine B riproduce

una situazione ideale in cui i pori scompaiono e la struttura è policristallina.

7. Con riferimento all'immagine precedente, quale delle due ha una maggiore resistenza meccanica?

perchè?

L’immagine B perché non presenta vuoti, che non sono altro che dei difetti. Ho una distribuzione omogenea

delle polveri quindi il comportamento sarà isotropo, prevedibile. I bordi di grano sono aumentati e questo è

un vantaggio per limitare la propagazione delle cricche.

8. Con riferimento a immagine precedente, quali sono eventuali problemi di usura di materiale

dell'immagine A?

L’immagine A rilascia particelle di usura molto più grandi. È un materiale avanzato di elevata durezza,

quindi entità di usura da terzo corpo molto importante. (Inoltre queste particelle molto grandi difficilmente

migreranno in zone distanti dall’impianto e questo potrebbe essere un vantaggio). Posso avere problemi di

usura a fatica.

9. Protesi con rivestimento in HA favoriscono osteoconduzione, osteoinduzione e osteointegrazione.

Giustificare il perché.

L’HA è la più stabile tra i CaP, i quali vengono utilizzati per imitare la struttura morfologica e la

composizione chimica dell’osso. Inoltre l’HA è bioattiva ed essendo un componente naturale dell’osso non

genera problemi legati alla biocompatibilità. I dispositivi attualmente in commercio non favoriscono

osteoinduzione. Ma se costruissimo un rivestimento in HA con componente amorfa o con ioni molto diversi

rispetto ad HA pura usata oggi, potremmo avere un effetto di osteoinduzione.

10. Da un test con SAOS-2, una linea cellulare di cellule ossee, si osserva che la vitalità cellulare è più

elevata (raddoppia) nelle superfici modificate con il trattamento MT (Magic Treatment). Che

conclusioni potete trarre? (max 10 linee)

Le hSAOS-2 sono cellule di linea simili agli osteoblasti umani. Le conclusioni all’esperimento sono molto

limitate: la superficie non è citotossica, favorisce l’adesione cellulare di quel tipo di cellule, ma andrebbe

verificato con altri tipi di cellule. Non mi basta guardare la vitalità ma anche la riproduzione di collagene,

osteocalcina e osteopontina.

TE 2020 – 06

11. Difetto osseo critico: come definirlo? (max 6 righe)

Il difetto osseo critico è una lacuna, dovuta a un trauma o a una patologia che non si può autoriparare.

Nonostante l’esistenza di linee guida, non esiste una definizione univoca riguardo la criticità di un difetto

poichè dipende dalla specie, dal distretto corporeo, il carico a cui è sottoposta la zona difettosa, la

condizione patologica, eziologica, età, sesso, stato dei tessuti circostanti. I tempi di guarigione possono

essere variabili, ma anche questo non è univoco e dipende dai fattori elencati. Questo rende difficile la

standardizzazione dei test preclinici e la decisione di intervenire al livello clinico.

12. Tre strategie per affrontare i difetti ossei: tipi di materiali, caratteristiche e problematiche (3 righe)

1. Autograft da cresta iliaca. Vantaggi: cellule autologhe, fattori di crescita e una matrice ossea,

favorisce osteoinduzione, osteoconduzione e osteointegrazione; Svantaggi: danno al sito di

prelievo, disponibilità limitata come quantità e qualità (ad es non utilizzabile osso osteoporotico).

Risultati non sempre soddisfacenti dipendenti da tecnica chirurgica.

2. Allograft da cadavere. risolvono il problema del danno al paziente, ma possono indurre una forte

risposta immunitaria, e trasmettere malattie.

3. MATRICE OSSEA DEMINERALIZZATA: prodotta da osso per mezzo di trattamenti con acidi. Contiene

collagene e fattori di crescita (BMPs, fattore beta trasformante, fattore del fibroblasto) VANTAGGI:

osteoconduzione, osteoinduzione. SVANTAGGI: variabilità del processo di produzione, non è

possibile applicare immediatamente carico (usata nel maxillofacciale).

13. Ragioni per le quali le infezioni perimplantari in ortopedia sono particolarmente gravi? (8 righe)

Le infezioni sono una causa di fallimento degli impianti e sono intrinseche dell'impianto perchè i batteri

aderiscono preferibilmente sulle superfici artificiali, formando un biofilm, ovvero aderiscono e producono

una matrice che li protegge dall'attacco del sistema immunitario e dagli antibiotici. Le PJI sono molto gravi

perchè sono infezioni profonde dell'osso che diventano croniche e difficili da curare e portano a

riassorbimento osseo. I batteri entrano negli osteoblasti e rimangono in vescicole che li proteggono dal

sistema immunitario, secernono tossine che uccidono le cellule, che mandano segnali (citochine) per far

avvenire il riassorbimento osseo. Inoltre, sono infezioni che rimangono silenti per lunghi anni prima di

essere diagnosticate, poichè i batteri possono infettare gli osteociti e dirottare meccanismi come il

differenziamento osseo o il rimodellamento.

14. Elencare con brevissima descrizione 3 strategie per affrontare le infezioni in ortopedia (max 6 righe)

Per affrontare le infezioni si può 1) caricare un antibiotico sulla superficie dell'impianto per avere un rilascio

locale, seppur limitato nel tempo, di alte dosi del farmaco per curare sul nascere le infezioni. 2) È possibile

eseguire delle modifiche chimiche della superficie, con ioni Ag o Ga che hanno azione antimicrobica.

3) Si può modificare la struttura della superficie, con dei metodi di lavorazione per es. elettrochimici

(anodizzazione), per ottenere una superficie nanostrutturata, che al contempo limiti l'adesione batterica,

favorendo l'osteointegrazione, giocando quindi sulle differenze di dimensione tra cellule ossee e batteri.

15. Quali sono i diversi tipi di UHMWPE definiti dalle normative tecniche?

UHMWPE= problemi per usura, infragilimento in seguito a sterilizzazione HXLPE= reticolato con raggi

gamma e trattato termicamente: più resistente a usura. AO-HXLPE= Reticolato con l'aggiunta di vitamine E

(in superficie o in soluzione con blending method o diffusion method) per controllare reticolazione e

aumentare resistenza ad usura NON CONVENZIONALI= aggiunta di altri elementi come gallio, rivestimenti,

porosità, particolari trattamenti.

TE 2020 – 07

16. Commentare il ruolo dello strato di ossido nella corrosione dei materiali metallici impiantabili (max

10 righe)

Lo strato di ossido aumenta via via che gli ioni attraversano lo strato di ossido che si forma fino a

raggiungere l