Bioingegneria chimica e materiali

Biocompatibilità

Problema da affrontare

L'interazione tra biomateriale di un dispositivo biomedico e l'organismo che lo accoglie. Il dispositivo biomedico può essere completamente impiantato internamente al corpo (es. protesi all'anca), i dispositivi di questo tipo sono i più critici. Altri dispositivi sono quelli percutanei, cioè quelli che, come per esempio gli impianti dentali, sono non completamente impiantabili. I dispositivi di questo genere sono meno critici, ma sono più soggetti a infezioni perché hanno un'interfaccia con l'esterno.

Questi oggetti sono realizzati con materiali con proprietà diverse. I metalli, per esempio, hanno proprietà meccaniche e a fatica migliori rispetto ai polimeri; essi reagiscono però all'ambiente corrodendosi, i prodotti di questa corrosione finiscono nei fluidi biologici, e le prestazioni meccaniche del pezzo peggiorano.

Classificazione dei materiali

Materiali artificiali sintetici

• Metalli: Facili da realizzare dal punto di vista tecnologico, hanno prestazioni meccaniche molto alte, quindi ottimi per impianti soggetti a sforzi ciclici. Si corrodono.
• Polimeri: A base di carbonio, quindi più biocompatibili rispetto ad altre classi di biomateriali, in quanto l'organismo vede una chimica non così dissimile dalla propria. Utili per oggetti che non richiedono alte prestazioni meccaniche. Usati per protesi mammarie, lenti a contatto, elementi di protesi di altro genere, ma si degradano, perdendo peso molecolare e prestazioni meccaniche.
• Ceramici: Materiali fragili. Ceramici carboni, come la grafite, possono essere trattati per ottenere materiali ancora fragili ma durissimi, usati per realizzare impianti come valvole cardiache. Sono sinterizzati, cioè ottenuti partendo da polveri scaldate e compresse. Sono inerti, ossia non si degradano né corrodono.

Materiali naturali

• Viventi:
  • Trapianti: Un organo vivente viene preso da un donatore e impiantato in un'altra persona. Materiali in gioco sono cellule viventi, a cui l'organismo reagisce molto male, con meccanismi di rigetto che uccidono l'organo.
  • Autograft: "Trapianto" di tessuto prelevato dal paziente stesso, come skin grafts nel caso di ustioni. Sono estremamente biocompatibili.
  • Tessuti ingegnerizzati: Copiano il tessuto originale danneggiato usando cellule autologhe del paziente.
• Non viventi: Tutti i tessuti sono composti almeno da cellule e matrice extracellulare. Esistono metodi per eliminare la componente vitale mantenendo la matrice, e quindi forma e proprietà meccaniche del tessuto. Si realizzano così tessuti non rigettati:
  • Homograft: Donatore umano.
  • Eterograft: Donatore animale.

Biocompatibilità

È l'abilità di un materiale di avere prestazioni che generino risposta appropriata nell'ospite in una precisa applicazione. Un materiale non è quindi di per sé biocompatibile: la biocompatibilità dipende dalla sua applicazione.

La biocompatibilità dipende da:

• Dispositivo:
  • Architettura: Forma del dispositivo, non necessariamente uguale a quella dell'organo che si vuole sostituire.
  • Peso e ingombro: Vincoli molto importanti nel corpo, ad esempio a causa del peso un impianto può migrare dal sito in cui è stato posizionato nel corpo, o il peso può far sì che il dispositivo meccanico lavori con più fatica.
  • Attività: Dal punto di vista energetico (servono batterie?).
• Destinazione e durata: Un dispositivo può rimanere nell'organismo temporaneamente o per sempre.
  • Periodico: L'impianto è presente nel corpo a intervalli periodici, come ad esempio nel caso di lenti a contatto mensili.
  • Temporaneo o permanente.
• Risposta dell'organismo:
  • Psicologia della persona
  • Quadro patologico
  • Allergie
  • Infezioni
  • Emolisi: rottura dei globuli rossi
  • Coagulazione
  • Infiammazione

Il corpo tende a cercare di distruggere il dispositivo impiantato, degradandolo. La superficie del dispositivo è il luogo dove avviene la "lotta" tra organismo e impianto. Questa interazione dipende quindi dalla chimica della superficie.

Tipi di biocompatibilità

• Anatomica: Dipende da forma, peso e ingombro del dispositivo, non dal materiale di cui è composto.
• Funzionale: Il dispositivo risponde alle specifiche dell'organo che sostituisce?
• Biologica: Interazione tra organismo e dispositivo, dipende dai materiali.

La forma di un dispositivo in generale genera la funzione. La biocompatibilità biologica indica ciò che accade tra la superficie del dispositivo biomedico e il tessuto che lo sta accogliendo. Tutta la biocompatibilità biologica dipende da cosa succede all’interfaccia tra i due. L’organismo può attuare meccanismi di difesa nei confronti dell’impianto, che essendo all’interno di un ambiente aggressivo può rilasciare delle sostanze.

Per “rendere buono” il dispositivo va scelto il miglior materiale possibile, peso e forma migliori, la chimica della superficie... l’impianto può trovarsi all’interno di tessuti duri o di tessuti molli, come osso o tessuto connettivo molle. Una caratteristica importante è che se l’impianto si trova nell’osso, la biocompatibilità in generale viene raggiunta se tra l’impianto e l’osso non ci sono movimenti relativi nemmeno micrometrici. Quindi l’impianto deve essere incastrato e non muoversi più, altrimenti l’impianto fallisce. A seconda del tipo di protesi vengono usate diverse sostanze per raggiungere questo obiettivo.

Se l’ambiente biologico è un tessuto molle, questa condizione di pace dinamica non è raggiungibile. Una protesi vascolare ad esempio è sottoposta a pressioni, è impossibile che sia ferma. C’è sempre movimento relativo tra la protesi e il tessuto connettivo che la sta accogliendo. Queste due condizioni fanno sì che il processo infiammatorio iniziale nel caso in cui l’impianto è immobile si spegne, facendo sì che l’impianto risulti ben integrato nell’osso.

Nel caso di protesi a contatto con tessuti molli il movimento relativo tra protesi e tessuto diminuirà nel tempo, ma resterà comunque presente, e il processo infiammatorio continuerà per tutta la durata dell’impianto. Quindi l’istologia del tessuto presente attorno all’impianto non mostra il tessuto corretto, ma tessuto cicatriziale, collagene che non dovrebbe essere presente ma si forma a causa del continuo movimento.

L’interazione è biunivoca, l’organismo reagisce all’impianto che reagisce di conseguenza all’organismo.

Interazione biomateriale/corpo umano

Gli effetti dell’impianto sull’ospite possono essere:

• Locali: Presenti dall’interfaccia tra superficie e organismo.
  • Carcinogenesi: Si sviluppano tumori. Utilizzando i giusti materiali ha probabilità minima di verificarsi.
  • Infezione: È un processo diverso dall’infiammazione! L’infezione è il fenomeno che provoca una reazione del sistema immunitario a causa dell’ingresso nell’organismo di batteri o virus non desiderati. Solitamente non accade, a meno che non si commettano errori durante l’intervento chirurgico o che il soggetto non sia immunodepresso. Insieme alla reazione del sistema immunitario anche l’infiammazione contribuisce a uccidere i batteri estranei.
  • Infiammazione: La presenza di un dispositivo all’interno nell’organismo causa modifica dei processi di guarigione, a causa dell’ingiuria chirurgica per inserire il dispositivo, e per il continuo movimento tra organismo e dispositivo. Tutti i biomateriali generano un processo infiammatorio più o meno importante. Il processo infiammatorio è un processo cellulomediato che ha come fine la distruzione di materiale estraneo, indipendentemente dalla natura di questo materiale. Il processo infiammatorio e il processo immunitario sono legati tra loro, nel caso di infezione entrambi i processi agiscono in sinergia.
  • Cito/emotossicità: La citotossicità è la tossicità per le cellule, va evitata assolutamente. L’emotossicità è più difficile da evitare perché non esistono materiali completamente emocompatibili, perché il sangue è in movimento e non ama contatti con tessuti che non siano quello endoteliale, a contatto con altri materiali coagula.
  • Interazione con il sangue: Che è un tessuto critico. Introducendo un dispositivo a contatto con il sangue si risolve il problema iniziale, ma si sposta la patologia al sangue; il paziente deve assumete potenti farmaci anticoagulanti.
    • Coagulazione
    • Attivazione del complemento (reazione immunitaria)
    • Emolisi
    • Adesione
    • Attivazione dei leucociti
• Lontani dall'interfaccia:
  • Sensibilizzazione allergica, tossicità sistemica, reazioni immunitarie: Sono reazioni catastrofiche.
  • Corrosione e degradazione: I materiali possono subire corrosione e degradazione.
  • Formazione di emboli: Essendo a contatto con il sangue. L’embolo può essere gassoso o solido, nel caso di dispositivi è solido, ossia è un coagulo formatosi nel dispositivo o all’interfaccia che segue il flusso di sangue e finirà in un vaso arterioso avente diametro pari al suo ingombro. Questi coaguli possono causare infarti, ictus, necrosi di arti e organi. Dato che tutti i materiali causano coagulazione del sangue, l’unico trattamento è costituito da terapia anticoagulante.

Gli effetti che l’ospite ha sull’impianto possono essere:

• Usura: Meccanismo attraverso il quale se due materiali diversi sono strofinati tra loro il più morbido perde dei pezzi. Dipende da moltissimi parametri, dalle caratteristiche dei due materiali, dalla rugosità delle superfici (più sono lisce, minore è l’usura). L’usura riguarda molto gli impianti come protesi articolari, protesi ossee… si generano frammenti d’usura che sono letti dall’organismo come corpi estranei da eliminare, creando un processo infiammatorio.
• Fatica meccanica: Fenomeno attraverso il quale il materiale si rompe per sforzi molto inferiori al suo sforzo di rottura dopo un numero elevatissimo di cicli. Il dispositivo è progettato con sezioni resistenti tali che possano durare per tot cicli. Nel caso di alcuni impianti gli sforzi continui a cui sono sottoposti causano corrosione che fa diminuire la sezione resistente fino a che non si arriva alla sezione di rottura, e il materiale si spacca.
• Corrosione
• Ossidazione e fessurazione superficiale
• Effetti biologici:
  • Assorbimento di sostanze dai tessuti
  • Degradazione enzimatica: pensato per tutti i materiali che sono riassorbibili
  • Calcificazione: Questo effetto interessa per lo più i materiali naturali, come homografts, autografts…

Successivamente all’impianto della protesi si ha una breve fase di infiammazione acuta, seguita da infiammazione cronica durante la quale si forma tessuto di granulazione nel sito d’impianto (reazione da corpo estraneo). Lo stadio finale è la formazione della capsula fibrotica. Il tessuto danneggiato può essere sostituito con nuovo tessuto dello stesso tipo o con connettivo fibrotico. Se la guarigione è perfetta, la capsula fibrotica non persiste.

La superficie definisce cosa succede in seguito all’impianto. Il primo evento temporalmente che avviene subito dopo l’impianto di un dispositivo sterile e pulitissimo (in modo da evitare ingresso di batteri estranei) è il rivestimento della superficie del dispositivo da parte di uno strato proteico. Queste proteine possono subire modifiche a seconda del tipo di dispositivo: le proteine adsorbite dipendono dalle caratteristiche del dispositivo, dalle proteine nei fluidi circostanti e dall’organizzazione delle proteine adsorbite. Tutti gli eventi successivi dipendono da che proteine sono adsorbite sul materiale.

Esempio

Il tessuto più difficile da trattare è il sangue. Se sulla superficie sono adsorbite proteine della coagulazione del sangue, il sangue coagula. Se sono adsorbite proteine del sistema immunitario, parte il sistema immunitario. La composizione delle proteine determina il successo locale del dispositivo, che non è il successo del dispositivo in sé.

Il materiale può essere in partenza ricoperto da proteine per far sì che il dispositivo reagisca nel modo che si desidera? Quando le proteine si legano alla superficie, si legano in maniera non covalente, in modo da potersi scambiare. Quindi le proteine rivestite in precedenza una volta immerso il dispositivo nell’organismo svengono scambiate. Si può legare le proteine in modo covalente? No, perché l’attività della proteina è data dalla proteina libera, e vincolare la proteina da qualche parte modifica la forma della proteina, che è legata alla funzione.

Il materiale ha una chimica e cariche in superficie, quindi attrae una parte di proteina o determinate proteine. Le proteine sono il mezzo di comunicazione delle cellule, che producono le proteine stesse. L’adsorbimento proteico determina il fenomeno di adesione cellulare alla superficie del dispositivo:

• Non specifica, non mediata da recettori
• Superficie non adesiva, interazione debole
• Adesione specifica, mediata da recettori
• Cellule incluse in un gel deposto in superficie

L’adesione cellulare avviene grazie a recettori specifici per le proteine adsorbite: il legame ligando recettore modifica la conformazione delle proteine transmembrana causando risposte cellulari specifiche (infiammazione, trombogenesi, apoptosi…).

Il tipo di prestazione del dispositivo si valuta o su animali o facendo prove ad altissima velocità, ossia prove a fatica facendo lavorare il pezzo ad una frequenza molto più elevata di quanto lavorerebbe in vivo. Una protesi ad esempio viene montata su una macchina che, con gli stessi sforzi di una camminata, sollecita la protesi ad alta frequenza. L’effetto di anni di utilizzo viene simulato in pochi mesi.

La biocompatibilità biologica è la più critica, è la biocompatibilità che si ha all'interfaccia tra dispositivo e organismo che lo ospita.

I materiali utilizzati oggigiorno sono biocompatibili perché hanno subito un iter che viene eseguito continuamente per tutti i materiali innovativi. Questi materiali sono medical grade materials, ossia hanno superato una serie di test legati all’interazione tra il materiale e l’ambiente biologico che lo accoglierà. Esistono agenzie come la FDA (Food And Drug Administration) e il Ministero della Sanità che si occupano tra le altre cose di qualità dei materiali e approvano o meno il loro utilizzo. Lo stadio appena inferiore al medical grade è il food grade, ossia i materiali che possono essere messi a contatto con il cibo senza rilasciare sostanze tossiche.

Per determinare il grado del materiale si eseguono test di compatibilità in vitro o in vivo. In vivo significa che il materiale è impiantato all’interno di un modello vivente, ossia un animale. Gli esperimenti in vitro sono eseguiti in laboratorio senza la presenza di animali vivi. Generalmente prima sono eseguiti tutti i test possibili in vitro: se già in vitro un materiale è poco prestante, viene abbandonato. In vitro viene effettuata una sorta di scelta di quali materiali sviluppare.

È necessario poi passare a sperimentazioni su animale, anche se negli ultimi tempi si sta tendendo a ridurre il numero di esperimenti in vivo. La risposta del modello animale non è la risposta di un umano! Ad esempio, i cani hanno un sistema di coagulazione completamente diverso dall’uomo! L’animale che viene usato di più è il maiale perché l’anatomia del tronco del maiale è molto simile a quella umana.

Esperimenti in vitro

In vitro possono essere eseguiti esperimenti senza cellule (il materiale è posto in un ambiente simile a quello del corpo, con pH, sostanze aggressive… simili a quelle umane): si studia la degradazione del materiale, ma non l'interazione con l’ambiente biologico. Per studiare il materiale in un ambiente più simile possibile ad una situazione in vivo è possibile eseguire test cellulari. I test in vitro e in vivo sono regolati dalla normativa ISO 10993.

Questa norma è composta di 18 parti, ciascuna delle quali da precise indicazioni operative (tempi, quantità, tipi di sostanze…) sui test da eseguire, che sono estremamente specifici e dettagliati. Alcune delle sezioni riguardano l’identificazione e quantificazione dei prodotti di degradazione dei materiali polimerici, ceramici, metallici e leghe: queste classi di materiali generano prodotti di degradazione a seconda della funzione che svolgono, degli stress a cui il dispositivo è sottoposto…

I prodotti di degradazione di un metallo sono ioni metallici da corrosione. I prodotti di degradazione dei polimeri sono polveri di minuscoli pezzi di polimero (pochi monomeri) che vanno in circolo. I prodotti di degradazione dei ceramici, pur essendo pochissimi, esistono e possono essere tossici per le cellule. Se lo sono, il materiale è eliminato, se invece non lo sono, si procede con i test. Se il materiale supera tutti i test in vitro è un buon candidato per essere impiantato su una batteria di animali.