Biomateriali - Prof. Lazzeri

Biomateriali

Lezione 1 - 29/09/2014

L'ingegnere biomedico nella sua attività è sottoposto a dei vincoli fortemente stringenti, soprattutto per il fatto che gli oggetti progettati hanno a che fare con l'organismo umano. La relazione fra salute e dispositivi medici è consolidata ed è una relazione individuata esistere come criterio a sé stante una settantina di anni fa, subito dopo la seconda guerra mondiale. Cioè si era capito che non si poteva prendere un materiale qualunque e trasferirlo in ambiente medico per realizzare una protesi.

Tutto ciò che vi è di complicato nella scienza dei biomateriali ha origine in questo concetto: noi abbiamo a che fare con oggetti che interagiscono con la salute più o meno pesantemente (si va da un cerotto ad una protesi impiantata nel paziente). Di fatto non c'è un distretto corporeo che non possa essere in qualche modo affrontato con un dispositivo biomedico. Non esiste una vera soluzione soddisfacente per affrontare artificialmente ciò che succede nei vari distretti corporei, c'è qualcosa che funziona efficacemente, ma qualcosa che replichi totalmente il funzionamento biologico non c'è. Tali dispositivi sono comunque efficaci per salvare, prolungare o almeno rendere la vita qualitativamente migliore. La soluzione ottimale è comunque quella meno peggio possibile.

Per ottenere risultati ottimi andrebbe sostituito un organo con un altro organo naturale, non per altro già prima della scienza dei biomateriali dal punto di vista medico si sono sviluppati i trapianti. Tuttavia, anche in questo aspetto c'è una controindicazione notevole, cioè quella del rigetto.

Far funzionare un dispositivo biomedico fatto con biomateriali artificiali significa trovare tutti i modi possibili per "fregare" il sistema immunitario e far funzionare il dispositivo. Questa è la lotta perenne fra biomaterialisti, impiantisti e la biologia.

Esempi di dispositivi biomedici

• Articolazione del dito: Polipropilene (materiale)
• Lente intraoculare: si svilupparono in seguito a problemi di opacizzazione del cristallino.
• Protesi mammaria: costituita da un involucro con un contenuto interno geliforme.
• Protesi d’anca
• Valvole cardiache: l'aorta viene separata dal cuore, viene prelevata la valvola naturale e sull'anello della valvola artificiale viene suturata l'aorta. Sono costituite da un tessuto sintetico la cui sigla è PET. Molte di queste valvole sono anche di origine animale come quelle del suino o quelle costruite con pericardio bovino, cioè con il tessuto che ricopre il cuore del bovino ritagliato e sagomato.
• Cuore artificiale
• Ferri e attrezzature chirurgiche: bisturi. Sono oggetti che vengono a stretto contatto con i tessuti e non possono essere fatti di un materiale qualunque.
• Dispositivi a rilascio di insulina: sono dispositivi esterni che iniettano tramite un tubicino farmaci. Anche nel seguente caso entriamo in contatto con l'organismo.
• Biomacchine: molte delle operazioni chirurgiche prevedono l'intubazione del paziente. Per questo abbiamo macchine che seppur esterne introducono materiali all'interno dell'organismo.
• Un ulteriore esempio sono le macchine per dialisi che filtrano il sangue e lo reintroducono nel paziente. Il sangue non ama materiali diversi dall'endotelio. L'unica superficie che il sangue ama è l'endotelio purché non stia fermo fluidodinamicamente.

Aree di applicazione dei biomateriali

• Sostituzione di parti malate o mancanti
• Supporti alla guarigione: supporti, placche, viti
• Correzione di anomali funzionali: lenti a contatto, lenti intraoculari, pacemakers. I pacemakers sono dispositivi che obbligano il cuore a battere regolarmente ad una certa frequenza stabilita. Sono oggetti inscatolati e chiusi che hanno un piccolissimo catetere all'interno del quale vi è un elettrodo che finisce sul muscolo cardiaco. Il pacemaker viene impiantato sottocute, non in profondità per agevolarne anche la sostituzione. Il circuito del pacemaker è un oscillatore che deve essere isolato dal resto dell'organismo tramite un involucro.
• Correzione di anomali dentali: fili metallici
• Correzione di anomalie estetiche: protesi facciali, protesi mammarie, ecc.
• Strumenti per la diagnosi, la terapia e l'intervento: tutta l'accessoristica che troviamo in sala operatoria come aghi, fili, cerotti, garze, ferri, ecc.
• Terapie avanzate: dispositivi per il rilascio controllato e i supporti per l'ingegneria tissutale. Per ingegneria tissutale si intende l'ingegnerizzazione di un processo per avere come risultato un tessuto biologicamente analogo a quelli naturali, cioè trovare delle strategie per tentare di costruire sostituti biologici reali.

I biomateriali sono utilizzati anche in ambito biologico dove ci sono da fare test cellulari. I materiali anche nel seguente caso seguono le stesse normative. Attualmente in laboratorio le cellule si sviluppano in 2D ed infatti si è riusciti a ricostruire artificialmente questi tessuti in due dimensioni come il derma. L'ostacolo è quello di comprendere come mai queste cellule non riescano a svilupparsi in tre dimensioni o meglio come mai una volta riempito lo spazio a disposizione queste cellule inizino a morire se non spostate in un contenitore più grande.

Stent cardiovascolari

Sono piccoli cilindri lunghi da 3 a 5 cm, di diametro intorno ad un millimetro sulla parte iniziale e pari a circa 3 mm nella parte finale. È formato da una reticella metallica sagomata che permette la dilatazione del cilindro. Tali stent vengono utilizzati per curare una patologia molto diffusa, ovvero l'occlusione delle coronarie che ossigenano i tessuti del cuore. Prima degli stent e dove questo processo non può essere applicato viene utilizzato il processo di by-pass (cioè si va a tagliare un pezzetto dell'arteria in una parte dell'organismo in cui serve meno e viene messo a sostituzione della parte occlusa).

Gli stent sono stati pensati per evitare l'operazione di by-pass. Tale cilindro viene inserito all'estremità di un piccolissimo catetere e viene inserito a livello femorale. Tale stent ha al suo interno un altro tubicino alla cui estremità vi è un palloncino sgonfio che occupa la parte interna dello stent. Quando lo stent è posizionato nella coronaria dall'esterno attraverso aria compressa ad un centinaio di atm questo palloncino viene gonfiato e allarga lo stent che espande la coronaria. I metalli sono molto elastici ma se viene superato il limite di deformazione non tornano più indietro, cioè abbiamo una deformazione elastica. Lo stent viene deformato oltre il limite plastico e una volta espanso rimane così, il palloncino viene sgonfiato e il catetere viene estratto.

Per quanto riguarda la distribuzione dei materiali abbiamo una stragrande maggioranza di polimeri (materie plastiche) seguiti dai metalli, i compositi (unione di materiali diversi), i ceramici e infine i biologici.

Cenni storici

L'idea di utilizzare tali materiali non è patrimonio della civiltà moderna, ma già gli antichi egizi avevano utilizzato protesi rudimentali. I Maya nel 600 a.C. utilizzavano i gusci di conchiglie per realizzare protesi dentarie. I fenici costruivano dei ponti dentali legati insieme con delle fibre vegetali. Nel Medioevo vi erano molte armature rigide come corazze di metallo e si cominciò a pensare alla sostituzione di parti mancanti con parti metalliche anatomicamente simili.

Tra gli anni '60-'80 dello scorso secolo comincia a nascere la relazione fra la medicina e l'ingegneria. Negli anni '40 nasce il primo rene artificiale utilizzando l'involucro di una salsiccia. Tra gli anni '40 e '50 nascono le prime lenti intraoculari in PET. In Cecoslovacchia viene sintetizzato un nuovo polimero per la realizzazione di lenti a contatto morbide. Si sviluppano anche le protesi vascolari fatte con fibre tessute inizialmente di nylon che nasce durante la seconda guerra mondiale.

Durante la seconda guerra mondiale quando i rapporti fra l'America e il Giappone non erano dei migliori venne scoperto dagli americani il nylon. Gli americani non dovevano più acquistare la seta dal Giappone per questo fu coniato questo nome per tale materiale.

Negli anni '60 inizia lo sviluppo delle prime protesi d'anca. Si sviluppa la produzione del silicone per le protesi mammarie. Nell'80 viene sintetizzato il polilattico che è un polimero biodegradabile. Fra gli anni '80 e '90 inizia la sperimentazione sul titanio. Successivamente si sviluppano i materiali ceramici.

Nella protesi d'anca abbiamo la coppa acetabolare che costituisce la testa della protesi e lo stelo che viene introdotto nel femore scavando una cavità. Tali protesi hanno sviluppato la produzione del cemento per ossa. L'osso e la protesi devono essere fortemente solidali altrimenti l'osso si spacca. Ci sono anche delle protesi non cementate perché hanno un rivestimento ceramico che hanno una struttura molto simile a quella dell'osso anche da un punto di vista minerale (fosfato di calcio) e questo facilita la cosiddetta osteointegrazione, cioè l'osso mineralizza penetrando nella cavità della superficie porosa dello stelo.

I metalli sono materiali con le più alte caratteristiche meccaniche rispetto ai polimeri e ad altri metalli, tuttavia hanno un grandissimo difetto, cioè si corrodono ovvero si ossidano. L'ambiente fisiologico è aggressivo con i metalli, per cui questi si ossidano. Il titanio è un metallo particolarmente resistente da questo punto di vista.

Per quanto riguarda le valvole cardiache, ne abbiamo diversi tipi. Quelle a pallina non vengono più utilizzate poiché la gabbietta contenente la pallina non resiste agli sforzi cardiaci in modo corretto. Per quanto riguarda quelle porcine o quelle costituite con pericardio bovino sono anche queste soggette a forti sforzi. Anche queste nel tempo vanno incontro a rotture da sforzo poiché sono state decellularizzate, cioè rese inerti.

Un'altra categoria di valvole prevede un dischetto al posto della pallina costituito da un materiale chiamato carbonio pirolitico. Tale dischetto è incastrato all'interno di un telaio di acciaio senza alcuna cerniera. Tale dischetto si apre e si chiude al passaggio del sangue. Nonostante nel seguente caso il materiale è estremamente resistente, la valvola è rumorosa.

Lezione 2 - 6/10/2014

Definizione di biomateriali

Che cosa è un biomateriale? Il fatto di dover interagire con l'organismo umano crea dei vincoli strettissimi anche da un punto di vista normativo di controllo e quindi di approvazione di alcuni progetti. Tutte queste restrizioni complicano la vita di chi fa la ricerca e fa lievitare i costi, poiché è un grosso lavoro oltre che di sperimentazione e ricerca, di verifica che questi materiali possano essere considerati biomateriali, cioè utilizzabili a contatto con l'organismo vivente. È la tutela per la salute delle persone che crea condizioni per poter classificare un materiale come bio oppure no.

Definire un biomateriale non è stata una cosa semplice. Vengono riportate tre date che rappresentano simbolicamente l'evoluzione del concetto.

• 1982: erano già circa 25 anni in cui la scienza dei biomateriali aveva preso forma ed in occasione di un convegno in USA venne data una definizione di biomateriale: "ogni sostanza o combinazione di sostanza, diverse da un farmaco, di origine sintetica o naturale, che può essere implicata per qualsiasi periodo di tempo, da sola o come parte di un sistema che tratta, aumenta o sostituisce qualsiasi tessuto o organo del corpo". Nonostante lo sforzo di essere precisi ci furono persone che contestarono tale definizione perché con il termine "parte del sistema" si poteva lasciare intendere ad esempio tutte le componenti dei dispositivi e tutto ciò che serviva in ambito medico. Per questo solo 4 anni dopo abbiamo una riverifica sostanziale che modificò completamente la definizione.
• 1986: "una sostanza non vivente utilizzata nella realizzazione di un dispositivo medico atto ad interagire con i sistemi biologici". In questi 4 anni fu maturato un aspetto chiave: prima di tutto venne sottolineato il "non vivente" ed inoltre che ciò che viene realizzato con biomateriali, cioè un dispositivo medico, deve interagire con i sistemi biologici senza specificare per quanto tempo.
• 1991: "un materiale che si interfaccia con i sistemi biologici per valutare, trattare, aumentare o sostituire un qualunque tessuto, organo o funzione del corpo". Qui non viene più specificato il termine "non vivente" perché in quegli anni si cominciava a studiare i sistemi contenenti cellule ed un materiale costruito in laboratorio contenente cellule non può essere definito non vivente. Tale spazio è tutt'oggi ricoperto da una branca dell'ingegneria biomedica che è l'ingegneria tissutale. L'altro aspetto importante è ciò che differenzia un materiale qualunque da un biomateriale. Un biomateriale deve essere biocompatibile, cioè un insieme di caratteristiche che rendono il materiale idoneo ad entrare in contatto con i tessuti viventi.

La definizione di biocompatibilità risale al 1986 in coincidenza con la seconda definizione di biomateriali. La biocompatibilità è: "l'abilità di un materiale di agire determinando un appropriata risposta dell'ospite, cioè dell'organismo, in una data applicazione". Va fatta una distinzione fra materiale e dispositivo biomedico: sono due cose dipendenti l'una dall'altra ma differenti. Le definizioni come quella della biocompatibilità non sono riferite al dispositivo, ma al materiale. La biocompatibilità è una caratteristica del materiale legata all'interazione che il materiale ha con i tessuti. L'interazione deve essere appropriata in una data applicazione.

Prendiamo ad esempio una protesi vascolare. Sono costituite da fibre tessute e plissettate, cioè vengono rese a zig-zag mediante un processo di stampo a caldo. Il processo di plissettatura fa sì che il lume del tubicino rimanga sempre aperto anche se questo viene piegato. Il tessuto plissettato conferisce elasticità alla protesi. Essendo il tessuto non impermeabile, quando la protesi viene impiantata, il sangue attraversa le pareti creando dei micro coaguli (micro trombi) che aderiscono tra i vuoti della maglia di protesi rendendola non permeabile. Questa è quella che viene definita appropriata risposta dell'ospite. Noi dovremmo valutare la biocompatibilità sulla base dell'appropriata risposta, cioè se funzionerà secondo le attese. Nella seguente applicazione se non ci fosse un'emorragia iniziale, la protesi non avrebbe un'appropriata risposta. Non è facile definire se un materiale è biocompatibile o no poiché dipende dall'appropriata risposta che vogliamo, che è una verifica a posteriori, in una data applicazione.

Classificazione di biomateriali

La prima distinzione in base alla natura chimica è tra:

• Metallici
  • Ferrosi
    • Ferro
    • Acciai
    • Leghe
  • Non ferrosi
    • Oro
    • Titanio
    • Tungsteno
• Non metallici
  • Organici
    • Polimeri (naturali o sintetici)
  • Non organici
    • Ceramici
    • Altri (silicati e vetri)

Vantaggi e svantaggi delle varie categorie di materiali

Non esiste un materiale ottimale. L'insieme delle caratteristiche di un materiale non è mai ottimale in tutti i punti. I polimeri hanno come vantaggio un'elevata tenacità, facile lavorabilità e una bassa densità (massa x unità di volume), cioè una densità vicina a quella dei tessuti. Tra gli svantaggi abbiamo limitate proprietà meccaniche ed inoltre i polimeri vanno incontro a processi di degradazione con entità e velocità diverse, ma prima o poi vengono degradati tutti. Tuttavia, ci sono alcuni polimeri per il quale si vuole siano biodegradabili nell'organismo come l'acido polilattico.

I metalli hanno come vantaggio delle spiccate caratteristiche metalliche, resistenza all'usura e la duttilità, cioè la capacità del materiale di essere ridotto in fili. Per malleabilità si intende la capacità del materiale di essere ridotto in lamine sottili senza perdere consistenza. Il metallo più malleabile è l'oro, mentre quello fra i più duttili è l'argento. Tra i svantaggi abbiamo una scarsa biocompatibilità dovuta alla suscettibilità alla corrosione. La corrosione è un processo elettrochimico di natura termodinamica. I metalli sono materiali molto rigidi ed hanno un'elevata densità. Sono principalmente utilizzati per la realizzazione di protesi ortopediche, protesi odontoiatriche o strumenti chirurgici.

I materiali ceramici hanno strutture particolari. Hanno una buona compatibilità con i tessuti, hanno un'elevata inerzia chimica ed hanno elevate proprietà meccaniche a compressione. Hanno scarsissime proprietà di trazione, sono di difficile lavorazione, cioè sono fragili. Hanno alte densità e strutture porose. Le principali applicazioni sono in ortopedia ed odontoiatria.

I materiali di origine biologica hanno un'ottima biocompatibilità generale. Tale biocompatibilità è legata al fatto che la struttura chimica di base di proteine o di polisaccaridi provenienti da animali o vegetali è molto simile alla nostra. Tra gli svantaggi abbiamo una scarsa affidabilità, scarse proprietà meccaniche ed un difficile trattamento e conservazione oltre che all'estrazione.

I compositi sono la combinazione di più materiali diversi.