Appunti completi di Tissue Engineering

Capitolo 1.

Fondamenti di Biomateriali e

Ingegneria Tissutale

La storia dell’uso dei biomateriali è molto antica, e i primi esempi dell’utilizzo

di questi risalgono (soprattutto nel campo dei denti) a migliaia di anni fa. In

particolare per rimpiazzare denti distrutti dalle carie, o da traumi si usavano i

materiali disponibili dell’epoca che non subivano biodegradazione e che

resistevano agli ambienti aggressivi della bocca. Come sappiamo, infatti, gli

ambienti corporei sono degli ambienti estremamente aggressivi (visti da una

prospettiva ingegneristica), caratterizzati da una variabilità moto elevata,

basti confrontare lo stomaco con la pleura polmonare oppure con il sangue.

Variano moltissimo infatti il ph, i flussi, le condizioni fluidodinamiche,

concentrazioni ioniche ecc… Quello che ha determinato l’avvento dei

biomateriali è stata la nascita delle plastiche (nonchè dei polimeri) che

mettono a disposizione una gamma quasi infinita di nuovi materiali, e per lo

più hanno: basso costo e possono essere forgiati nei modi più diversi. Le

prime protesi vascolari, per es., sono state realizzate nel polimero che

compone i paracaduti, che risultò biocompatibile e facile da suturare.

Nel campo biomedico quelli che stanno sulla frontiera sono i chirurghi; perché

sono i primi uomini che vedono, affrontano, e risolvono “il problema”. Essi

hanno il compito di salvare vite (con tutti i mezzi soprattutto in caso di

emergenze) anche sperimentando tecniche e materiali nuovi mai utilizzati.

Allora definiamo la “driving force” la forza spingente che risolve i problemi e

che è incarnata dai chirurghi. I chirurghi hanno quindi dei problemi da

risolvere, e perciò intorno agli anni 40’-50’ (anni di guerra) sperimentano su

moltissime persone nuovi medicinali e nuove tecniche. Basti pensare che

prima di quegli anni non esisteva l’antibiotico. I chirurghi iniziano a chiedere

aiuto agli ingegneri, perchè sanno progettare, conoscono le proprietà

meccaniche, rapporto proprietà struttura, e verifica misure sperimentali ecc.

questi sono gli anni 60’-80’ in cui nascono i primordi dell’ingegneria

biomedica/ dei biomateriali. Gli ingegneri hanno iniziato a capire che le

conoscenze ingegneristiche non bastavano; infatti non bastava più conoscere

il modulo di Young dell’osso trabecolare senza sapere come esso si riforma e

si deposita idrossiapatite. Allora vennero chiamati in causa i biologi ce

forniscono conoscenze biologiche.

PANORAMICA STORICA

Verso la fine dell’800’ vennero usate le tecniche chirurgiche asettiche con

whiskey e alcol, poiché uno dei principali motivi di morte era la setticemia.

Verso gli anni 40’ nascono i materiali plastici, acrilici (per sostituire la cornea).

Tra gli anni 60’-70’ trapianto di cuore.

Anni 2000 si usano i nanomateriali.

Esempi di dispositivi medici sono impianti mammarie, cuori artificiali, giunti

d’anca, valvole cardiache (anche meccaniche), e lenti intraoculari.

! Tutti questi materiali danno diversi problemi come: infiammazioni, trombi,

durata, sporcamento, movimenti, lubrificazioni e molti altri. Una protesi d’anca

per esempio può esistere in moltissime configurazioni che dipendono dalla

forma e dall’accoppiamento. I materiali usati sono polimerici, metallici e

ceramici. Lo stelo è tipicamente metallico, il giunto acetabolare (che va a

contatto con l’articolazione) è fatto da due componenti; la cupola in materiale

polimerico rivestito da materiale ceramico. I motivi di questi accoppiamenti

sono:

1) proprietà meccaniche (trazione e compressione) per lo stelo in metallo

(acciaio inox, titanio ecc che hanno elevate resistenze alla corrosione,

elevate proprietà meccaniche, e elevata osteointegrabilità dovuta alla

rugosità superficiale, ottenuta dalla sabbiatura)

2) Bassi coefficienti di attrito (materiali polimerici)

3) Elevata resistenza a compressione e basso attrito (materiali ceramici)

Tutte queste proprietà sono comunque legate alle tecniche di lavorazione atte

alla produzione di questi materiali che poi andranno ad interagire con il corpo

ed i vari tessuti.

Un altro esempio di dispositivo sono le valvole cardiache che possono essere

meccaniche o naturali (porcine)

Tra le valvole meccaniche più conosciute ci sono quelle rivestite con carbonio

pirulitico (dovuto a trattamento di pirolisi) che ha diverse proprietà come

quella di rendere la valvola non trombogenica. Le valvole estratte dei maiali

invece sono utilizzate perché come organismo quello dei maiali è il più simile

al nostro (in termini di dimensione degli organi)

Come ultimi esempi vediamo l’impianto dentale creato in titanio, strutture di

supporto intervertebrali e strutture di fissaggio.

Il punto dolente nonché punto di partenza è la carenza di pezzi di ricambio,

cioè se guardiamo i costi (in termini di procedure) delle operazioni implicate a

sostituzioni di parti anatomiche intorno agli anni 90’, si può notare che i

numeri sono elevatissimi, circa 400mld di dollari. Ai giorni nostri il valore è

aumentato di circa 10 volte. I pezzi di ricambio sono necessari quando

effettuo un trapianto.

Il meccanismo di trapianto può essere:

1) Autogeno: il pezzo di ricambio proviene dal nostro stesso corpo. Il

vantaggio è sicuramente l’assenza di risposte immunitaria, ma ho

anche il problema legato alla limitazione dei sistemi utilizzabili, cioè non

tutti le operazioni sono possibili. Per esempio se si tratta di un vaso

sanguigno il problema non si pone, perchè utilizzo alcune nostre vene e

arterie senza alcun problema, oppure se serve tessuto osseo per la

rigenerazione lo recupero dalla cresta iliaca, ma se per esempio se

devo effettuare un trapianto di cuore, pancreas o fegato non ho fonti

autogene da cui attingere.

2) Allogenico: il vero e proprio trapianto in cui un paziente riceve un

organo da un donatore. Il grande difetto è il donatore il quale può

donare tessuti in vita, ma per alcuni organi soltanto quando è

clinicamente deceduto. Le complicazioni variano naturalmente anche

da organo ad organo che deve essere donato. Il trapianto più difficile è

quello dei polmoni; i polmoni sono strutture vuote, che collassano

quando l’organismo smette di respirare, per cui deve esistere un

protocollo sanitario (oltre alla biocompatibilità donatore accettore) che

mi assicuri una buona conservazione di essi entro 3 ore (tempo minimo

della conservazione in iperventilazione, che mi consente di mantenere

gonfi i polmoni) per questo motivo i costi solo elevatissimi. Il secondo

problema è legato alla risposta immunologica domata dagli

immunosoppressori

3) Xenogenico: utilizzare parti anatomiche animali come quelle del maiale.

Qui la risposta immunologica è molto più elevata rispetto al caso

precedente. Anche i costi sono elevati perché le valvole per esempio

devono essere sottoposte a trattamenti chimici, che servono a togliere

una serie di marker sulla superficie e che vengono riconosciuti estranei

dal nostro sistema immunitario

BIOMATERIALE

Come classificazione dei materiali abbiamo:

MATERIALI INGEGNERISTICI

Il materiale che crea l’uomo come per esempio il metallo, la ceramica, i

compositi, le plastiche.

MATERIALI NATURALI

Cioè i materiali che troviamo già in natura per esempio l’osso, il legno, la

gomma ecc. che possono avere anche buone caratteristiche meccaniche

MATERIALI BIOMIMETICI

Sono i materiali naturali che utilizziamo in ambito ingegneristico. Quindi

studio e capisco come funzionano i materiali biologici e li utilizzo per

applicazioni ingegneristiche.

BIOMATERIALI

I materiali ingegneristici che imitano i materiali presenti in natura. Utilizzo il

materiale tradizionale per ricreare strutture biologiche (per esempio l’osso) e

riprodurre tutti gli aspetti meccanici, tribologici, di biocompatibilità ecc.

(naturalmente studiando prima tutti gli aspetti legati alla biologia e alle

caratteristiche del materiale naturale, che deve riprodurre il materiale

ingegneristico)

Affrontiamo adesso i biomateriali e focalizziamoci sul loro significato

Le definizioni di biomateriale possono essere molteplici e “differenti”; nel

senso che possiamo trovare una definizione completa in ogni dettaglio e

invece un'altra un po’ meno specifica.

1) Un materiale sintetico, naturale o modificato che ha la funzione di

essere in contatto e interagire con il sistema biologico (che possono

essere anche sistemi in vitro)

2) Un materiale sintetico, generalmente plastica, utilizzato per impianti in

un corpo vivente (trapianti) per riparare parti danneggiate o soggette a

patologie

Entrambe sono corrette.

Requisiti dei biomateriali

Un biomateriale per essere definito tale deve essere:

1) Inerte o specificamente interattivo = i primi biomateriali ad

essere utilizzati, nella fattispecie ceramici e il titanio, vennero

utilizzati perché generavano una risposta immunitaria molto bassa. La

parola inerte, non derivante dall’ambito biologico/medico, deriva

dall’ambito chimico e vuole dire che non viene attaccato da alcun

agente chimico (come il PTFE). In realtà l’inerzia da un punto di vista

biologico NON esiste, cioè non c’è nessun materiale, o corpo estraneo

che messo a stretto contatto con il corpo, con tessuti o organi ecc. non

generi un minimo di risposta immunitaria. Questa risposta può essere

dalla più blanda; l’infiammazione che risulta locale, la quale non è

seguita da null’altra risposta sistemica (quella immunitaria). Per cui il

paradigma dell’esistenza di un materiale completamente inerte è stato

smontato dalle conoscenze mediche. Quindi per questi materiali si

mira sempre di più alla realizzazione di quelli che vengono chiamati

targable(?), cioè materiali che facciano ciò che vogliamo facciano in

uno specifico ambito. Per esempio uno scaffold che contenga all’interno

una serie di molecole segnale che lo orientino verso un certo tipo di

risposta.

Un esempio potrebbe essere una protesi ossea che contenga un

qualcosa che essendo riconosciuta dal tessuto osseo promuova la

crescita di quelle cellule specifiche che si differenziano e diventano

osteoblasti, che rilasciano matrice ecc., l’importante è che le cellule

immunitarie o quelle di uno specifico tessuto riconoscano quelle

molecole segnale. Questo vuol dire specificamente interattivo.

2) Biocompatibile = (vedremo dopo cosa voglia dire)

3) Stabile meccanicamente e chimicamente oppure biodegradabile =

esistono materiali protesici progettati per restare all’interno del corpo

per moltissimo tempo, si direbbe tutta la vita anche se in realtà non è

mai così, oppure materiali progettati per essere impiantati, e

successivamente degradare per poi scomparire del tutto.

4) Lavorabile = posso avere il materiale migliore sul mercato, ma se è

difficile da lavorare o è molto costoso cerco un’alternativa migliore. I

materiali polimerici per esempio sono molto facili da lavorare ma

soprattutto hanno un basso costo, rispetto ai metalli che devono subire

moltissime più lavorazioni per ottenere il pezzo finito. In realtà in ambito

biomedico NON si guardano mai i costi delle lavorazioni delle materie

prime (che sono quasi sempre totalmente irrilevanti perché il pezzo

finito costa molto di più di tutti i processi di lavorazione).

5) Non trombogenico = se il biomateriale (protesi vascolari ecc.) è a

contatto con il sangue non deve causare trombi.

6) Sterilizzabile = il biomateriale deve potere essere sterilizzato attraverso

differenti procedure come raggi gamma, pressione e temperatura, gas

al plasma, ossido di etilene e vapore ecc. i raggi gamma sono quelli più

utilizzati in molti ambiti non solo il biomedico, e per sterilizzare alcuni

polimeri bisogna fare attenzione alla loro capacità di resistere a tali

raggi, in quanto potrebbero variare alcune proprietà come il PM ecc.

Anche la temperatura potrebbe far variare le proprietà dei polimeri,

perché in genere la temperatura è al di sopra della tg.

BIOCOMPATIBILITA’

La biocompatibilità è un requisito fondamentale. Essa si definisce quando un

materiale:

non è tossico= non produce nessun prodotto che risulti essere tossico, per

esempio come monomero non reagito per i polimeri, o come ioni rilasciati dai

metalli. Il non essere citotossico deve essere sia sulla superficie né nel bulk,

perché può succedere che per effetto delle interazioni con il corpo umano il

materiale si bioeroda e quindi se è il bulk ad essere tossico e non la

superficie si arriverà ad un punto in cui la tossicità si manifesta comunque e

avrò una risposta di non biocompatibilità ritardata (anche mesi)

non causa risposta infiammatoria “cronica” = la risposta infiammatoria

acuta c’è sempre, dopo di che essa può svanire o diventare cronica.

Non deve promuovere allergie.

1)

La biocompatibilità quindi ha a che fare quindi con una interazione con il sito

dove viene inserito il biomateriale (cioè dalla cellula all’organo), perché la

citotossicità (derivante dalla cellula) può essere molto differente da una

tossicità scaturita da un organo. In ogni caso non dobbiamo avere la più

bassa tossicità dalla scala cellulare a quella dell’organo, tenuto conto anche

del fatto che le caratteristiche dei singoli tessuti tra loro possono essere molto

differenti.

2)

Bisogna tenere conto anche di tutti i fenomeni su aspetti meccanici, chimici,

farmacologici ecc. che entrano in gioco quando impiantiamo il biomateriale.

Un esempio può essere la corrosione (rilascio di ioni e o perdita del peso

molecolare) oppure aspetti del tutto biologici come la formazione di un film

proteico (come la fibrina per un vaso sanguigno che è il primo passo per la

riparazione). L’encapsulation è uno dei fenomeni negativi in cui il sistema

immunitario, per espellerlo, avvolge da una capsula fibrotica il materiale. La

formazione di trombi. La calcificazione è la deposizione di calcio dove non

dovrebbe essercene. Rilascio di sostanze tossiche. L’infragilimento in cui un

materiale che aveva delle certe caratteristiche meccaniche tende a rompersi.

La lisi cellulare indotta da prodotti di degradazione e per finire la reazione

sistemica. Oltre agli aspetti meccanici e chimici quindi si analizzano anche gli

aspetti farmacologici (quando vengono rilasciate piccole molecole

nell’organismo).

La biocompatibilità dipende da

diversi fattori:

dal tipo di materiale.

dallo stato di carico = se gli sforzi

sono statici, dinamici o ciclici.

L’interazione del materiale (sia

superficie che bulk) con il tessuto

cambia fortemente se il tessuto è

sottoposto a determinati carichi

durata del dispositivo

immaginata = per esempio una protesi d’anca dura 20-15 anni; se ho dei

fenomeni che limitano le proprietà del device essi devono esprimersi solo

dopo il tempo immaginato per la durata di quel dispositivo.

Interazioni con altri materiali.

Il biomateriale naturalmente si degrada secondo diverse modalità come

corrosione, dissoluzione, modificazioni chimiche, swelling (rigonfiamento),

leaching (rilascio sostanze per attrito); alle quali resiste attraverso alcune

proprietà come resistenza a frattura ecc.

Parlare di biocompatibilità vuol dire allora immaginare che un ingegnere, che

progetta un dispositivo medico, non tiene conto soltanto delle condizioni

attuali ma soprattutto della variabile tempo, che anzi qui è molto rilevante. Un

ingegnere biomedico quindi progetta un dispositivo conscendo cosa succede

“oggi” e cosa succederà nel tempo. Questo nella tissue eng. è un concetto

molto esaltato, perché i materiali progettati sono pensati per biodegradarsi e

quindi la cinetica di biodegradazione deve essere molto accurata (progetto il

materiale per le sue proprietà di oggi, e proietto nel tempo la sua variazione

delle proprietà, che naturalmente andranno a cambiare). Nella scienza dei

biomateriali allora è molto importante sia la performance analysis, che si

basa sulle proprietà meccaniche, ma anche altri elementi come

biocompatibilità, e tossicologia, passando dal test fondamentale di tossicità a

cose più complicate. Assieme alla biocompatibiltà esiste un problema legato

all’insorgere di patologie il cui effetto potrebbe essere amplificato dall’uso di

queste nuove tecnologie mediche (come per esempio la crescita di masse

tumorali come nei o altri casi non visibili). L’ingegneria dei tessuti ha come

principale obbiettivo quello di ricreare pezzi di ricambio, a partire dalle cellule

del proprio organismo. Andando sempre incontro a problemi etici e anche

biologici come l’accrescersi di masse tumorali.

La scienza dei biomateriali

Fisici, ingegneri, dentisti, chirurghi, veterinari (sperimentazione su animali)

sperimentano sempre nuovi materiali per rispondere sempre a tutti i problemi

legati ai corrispettivi ambiti. I biomateriali sono posizionabili in diversi livelli. A

livello industriale si lavora molto sulle proprietà e su processi di approvazione

che verificano le caratteristiche del materiale e poi del dispositivo (per

esempio la FDA). Il livello governativo lavora sui regolamenti di

approvazione. L’ultimo livello è quello clinico ospedaliero che analizza il

device nel suo utilizzo.

Analizziamo l’immagine sovrastante.

essa esprime la probabilità di fallimento di una protesi d’anca in funzione del

tempo. Utilizziamo proprio la protesi d’anca perchè abbiamo dati a lungo

termin