Meccanica dei Biomateriali

Meccanica dei biomateriali - Lezione 1: 28/02/2022

Requisiti strutturali dei biomateriali

I biomateriali costituiscono il dispositivo biomedicale di varie nature e sono destinati ad interagire con l’organismo: se pensassimo ad altri ambiti, come ad esempio quello aerospaziale, ci si rende conto che, tutto sommato, l’ambiente a contatto con i nostri dispositivi è piuttosto “benevolo” e, dal punto di vista strutturale, questi si ritrovano in condizioni meno estreme rispetto ad altri dispositivi dal punto di vista strutturale. All’interno del nostro corpo siamo in una situazione “idilliaca”, grazie alla temperatura costante che varia tra i 36°C ed i 38°C e, ad eccezione di pochi casi, anche il problema della resistenza è minimo, poiché i dispositivi saranno sottoposti a condizioni di carico abbastanza controllabili rispetto a quelli che intervengono in altre discipline.

Tuttavia, sono presenti altri problemi ben più complessi, come ad esempio il tema della fatica: le sollecitazioni non saranno altissime, ma il numero di cicli che il dispositivo deve sopportare e di cui dobbiamo dare garanzia è elevato. Basti pensare ad una protesi femorale e a cosa è chiamata a rispondere l’interfaccia tessuto osseo-dispositivo: mentre negli altri casi possiamo immaginarci degli scenari, nel caso del nostro corpo siamo di fronte ad una macchina viva, che si evolve nel tempo, con condizioni al contorno che si evolvono nel tempo. Progettualmente è difficile inserirsi in un contesto dove le condizioni al contorno possono variare.

Nel caso biomedicale, l’invecchiamento comporta modifiche geometriche alle condizioni al contorno: queste condizioni sono date da tessuti che si evolvono e che possono evolversi in funzione di quello che svolge l’ingegnere biomedico, ovvero, se si utilizza un approccio molto invasivo, questo comporta una modifica all’intorno del dispositivo e, di conseguenza, le condizioni al contorno subiranno delle variazioni nel tempo: il dispositivo dovrà prevedere questo tipo di modifiche e, possibilmente, governarle.

È evidente che il dispositivo dovrà avere delle prestazioni strutturali, ovvero dovrà assicurare il rispetto delle verifiche, come quelle di resistenza, con un certo margine di sicurezza: il comportamento e le prestazioni biomeccaniche di tali sistemi sono collegate alle caratteristiche di progetto (forma, dimensioni, tipologia, ecc.). Questo è evidente, infatti ogni dispositivo che dovrà essere installato in un soggetto, diverso da uno precedente, dovrà presentare la capacità progettuale di definire una geometria che si adatti alla geometria del paziente. La geometria è molto importante ed è una ragione per cui non si può procedere con una fabbricazione spinta, siccome con questo tipo di fabbricazione non è detto che il dispositivo possa adattarsi/conformarsi alle specifiche esigenze del soggetto.

Dal punto di vista strutturale il tema più interessante, oltre a quello della resistenza, è quello della rigidezza: in termini strutturali, la non invasività si misurerà anche con il fatto che il dispositivo non sia né troppo rigido né troppo flessibile. Un eccesso di rigidezza e resistenza, quindi fattori di sicurezza elevati, possono portare all’insuccesso di un dispositivo.

È utile inoltre tenere presente effetti di altra natura, in modo da poter collegare la parte meccaniche nel giusto contesto. Tra questi effetti si ritrovano fenomeni di natura biochimica: è evidente che il materiale che andremo ad utilizzare dovrà essere chimicamente compatibile con il contesto nel quale andrà ad inserirsi, in modo da evitare il rischio che il dispositivo vada a creare dei danni sul tessuto biologico e viceversa. Questo effetto fa parte di quelle problematiche che, tutto sommato, nel momento che si conoscono possono essere risolte: è importante sapere che è presente il problema, quindi conoscere in modo circonstanziato l’ambiente/posizione anatomica.

Un’altra problematica attinente alla parte meccanica è l’usura, presente in modo particolare nelle protesi articolari.

Progettazione di un dispositivo biomedico

C’è poi l’insieme degli aspetti clinico-chirurgici che possono avere un aspetto determinante sulla progettazione del dispositivo: un esempio di questo è la protesi all’anca; questa viene fatta componibile proprio per la sua impossibilità nell’essere collocata nella sua posizione.

In questa immagine si può osservare l’evoluzione della protesi d’anca: nel 1950 si può notare come la protesi fosse maggiormente invasiva rispetto a quello progetta nel ’78. Oltre a questo, anche la scelta dei materiali è variata nel tempo: il materiale che richiede la maggior accortezza è quello che si interfaccia tra dispositivo e tessuto osseo del bacino. Inoltre, anche la coppia acetabolare, che deve garantire un basso attrito, ha subito delle modifiche, sia per quanto riguarda la forma che per i materiali scelti: si è iniziato con un’interfaccia metallo-metallo, passando per una interfaccia metallo-polimero (UHMWPE), fino alla progettazione di un’interfaccia metallo-ceramico.

Già da questo esempio si può capire che è impossibile definire un criterio univoco di progettazione, ma possiamo dire che la problematica progettuale è nata dal tema della replicazione, ovvero il fatto di dover creare un qualcosa che tende ad essere il più simile possibile alle condizioni naturali.

Per replicare è necessario conoscere le condizioni iniziali, ovvero lo stato di fatto al tempo zero che antecede l’insorgenza del problema. Inoltre, non bisogna inserire nulla nell’ambiente biologico che possa recare danno.

Prestazioni per i biomateriali

Le prestazioni per i biomateriali possono essere riassunte in tre categorie:

• Prestazioni meccaniche - il materiale riesce a garantire una certa resistenza e la rigidezza è compatibile con il sito anatomico;
• Fattori di lavorabilità - riguardano la costruzione del dispositivo, la sua installazione e, quindi, le varie problematiche chirurgiche legate all’implantologia;
• Biocompatibilità chimica e meccanica.

Requisiti strutturali dei dispositivi

Si deve osservare che i requisiti strutturali del dispositivo non sempre sono garantiti attraverso l’incremento delle sue caratteristiche meccaniche (ad esempio rigidezza e resistenza). Prendiamo come esempio lo stelo di una protesi d’anca. La forza agisce sia sul femore che sulla protesi: è un problema iperstatico. Questo problema può essere schematizzato come segue: una forza e due molle, una con rigidezza e l’altra con rigidezza. Scegliendo come tessuto osseo del femore e la protesi, se eccedo con la rigidezza, potrebbe essere molto maggiore del tessuto osseo. Se questo è vero, significa che la parte del tessuto osseo è quasi scarica per i carichi verticali. Inoltre, si possono osservare delle zone gialle, ovvero zone che sono richiamate ad intervenire per trasmettere il momento flettente che nasce per l’eccentricità tra la forza e l’asse dello stelo.

Il femore è chiamato a rispondere con le sue trabecole a dei carichi principalmente verticali: grazie al microscopio elettronico, è possibile osservare la loro disposizione in linee di principali di compressione. Svolgendo l’intervento di sostituzione d’anca, il carico di compressione non è più presente nella parte sommitale del femore e vengono a formarsi delle forze orizzontali che vanno a provocare un momento flettente. Lo scarico delle forze orizzontali avviene in una zona dove il tessuto osseo nasce per rispondere a sollecitazioni verticali; per questo motivo, si dovrà verificare anche questo tipo di situazione, conformata alla geometria effettiva del femore che si andrà ad operare, verificando inoltre le condizioni al contorno che, in questo caso, sono formate da tessuto osseo e dai vincoli del dispositivo.

Quanto appena visto rappresenta un effetto dovuto ad un eccesso di rigidezza, noto come stress shielding (rimodellamento dovuto ad una possibile riduzione degli sforzi meccanici rispetto a quelli presenti in condizioni fisiologiche). Un altro esempio, sempre riguardante l’eccesso di rigidezza, potrebbe essere quello dello stent: questo dispositivo, solitamente in materiale metallico, viene trasportato fino alla sua posizione finale e successivamente espanso tramite un palloncino, provocando una deformazione plastica. È facile intuire, in un contesto del genere, quanto negativo può essere l’effetto di un eccesso di rigidezza oppure eccedere con l’espansione.

Nell’immagine sottostante è possibile intuire quanto differenziate siano le problematiche presenti. Si può passare da una protesi auricolare al cuore artificiale: il primo riceve delle sollecitazioni meccaniche derivanti praticamente solo dal suo peso stesso (irrilevanti), mentre nel secondo il livello di rischio è completamente diverso, come lo sono le sollecitazioni meccaniche (dev’esserci un’affidabilità del sistema meccanico elevatissima).

I requisiti strutturali dei dispositivi biomedicali si traducono in requisiti per le proprietà meccaniche dei materiali costituenti: a seconda del contesto, si avranno richieste prestazionali meccaniche diverse. I biomateriali comunemente utilizzati possono essere classificati in:

• Metallici
• Polimerici
• Ceramici

Ciascuna di queste categorie apre un ventaglio di applicazioni progettuali molto vario, come ad esempio l’applicazione del polipropilene, più o meno arricchito, per la riparazione di ernie: nell’immagine si può osservare come i vari tipi di tessitura vadano ad incidere sulle prestazioni strutturali.

• Il materiale fornisce una risposta abbastanza isotropa, ovvero indipendente dalla direzione di sollecitazione.
• Per come sono disposti i fili e per la forma della maglia, mostra una risposta ortotropa.
• La presenza di cuciture orizzontali fa sì che la risposta sia rigida per sollecitazioni parallele ai fili e lo sia molto meno per sollecitazioni in direzione verticale.

Un’ulteriore categoria di materiali sono i materiali compositi, dove è presente una matrice all’interno della quale possiamo introdurre delle fibre, grazie alle quali è possibile stabilire anche l’orditura delle fibre, grazie alla quale è possibile governare l’ortotropia del materiale. Infine, sono presenti come materiali anche i tessuti biologici di derivazione animale o umana.

Progettazione di un dispositivo biomedico: esempio protesi mandibolare

Alla base della progettazione c’è la geometria, ossia l’analisi delle caratteristiche anatomiche fisiologiche dell’organo/tessuto naturale. Nell’immagine qua di fianco, è rappresentato il caso specifico in cui si ottiene una protesi tramite simmetria con la parte sana: posso dedurre e risolvere il problema geometrico utilizzando la parte sana e replicandola su quella da sostituire. Tuttavia, è presente un problema di condizioni al contorno: la protesi dovrà inserirsi con la parte sana e con quella terminale; per questo motivo è necessario avere una visione geometrica completa e quanto più accurata possibile.

Dal punto di vista meccanico, la protesi mandibolare è un caso in cui è necessario applicare un certo livello di attenzione alle prestazioni strutturali: ci sono dei carichi che intervengono sulla protesi (es. masticazione), c’è un fattore legato anche all’età, al peso del soggetto, ecc. È inevitabile, quindi, dover intervenire con un approccio probabilistico: non è possibile eccedere in sicurezza (il dispositivo sarebbe eccessivamente dimensionato), per questo vengono utilizzati dei parametri medi.

Riassumendo sulla progettazione di un dispositivo biomedicale:

• Abbiamo un’ampia possibilità di scelta di materiali;
• Dobbiamo governare la rigidezza e la resistenza;
• Ci si deve preoccupare della biocompatibilità;
• Si devono valutare le procedure chirurgiche per l’installazione del dispositivo;
• È importante conoscere i processi di produzione;
• In alcuni casi, è necessario svolgere dei follow-up del paziente;
• Bisogna tenere conto dell’aspetto normativo.

Questa immagine mostra come il design, la selezione del materiale, le prestazioni strutturali, il processo di produzione, le problematiche legate agli aspetti chirurgici e gli aspetti normativi siano interconnessi tra di loro.

Case study: UHMWPE e la sterilizzazione con raggi

L’UHMWPE viene inserito nelle protesi articolari totali tra le superfici a contatto e, fino al 1995, per la sterilizzazione delle protesi articolari venivano utilizzati i raggi. Queste particolari radiazioni sono particolarmente comode per il fatto di possedere un elevato grado di penetrazione, permettendo quindi la sterilizzazione del dispositivo direttamente nel packaging. Tuttavia, questi raggi hanno effetti anche meccanici: la sterilizzazione causa la rottura delle catene polimeriche, formando radicali liberi che, in presenza di ossigeno, danno luogo ad una degradazione ossidativa, riducendo il peso molecolare. Si passava quindi da UHMWPE a LDPE, polimero del polietilene con caratteristiche meccaniche totalmente diverse.

Un esempio può essere osservato in questa immagine che rappresenta l’effetto finale di delaminazione su un componente tibiale di una protesi totale al ginocchio. La radiazione ha provocato un’alterazione delle prestazioni meccaniche del dispositivo, che può essere vista anche nel grafico sottostante. Creando un provino con questo PE e introducendo un intaglio (difetto sulla sua lunghezza), è facile vedere che all’apice del difetto si creerà una singolarità tensionale nel momento in cui viene applicata una forza di tensione. Con l’incremento della tensione, la singolarità darà luogo ad un’amplificazione di tensione. Questo trova riscontro nel fattore di intensificazione degli sforzi ∆, misura di tensione che contestualizza l’amplificazione tensionale del difetto.

Definendo come la lunghezza del difetto e come il numero di cicli di sollecitazione, posso definire come la velocità di propagazione del difetto. Nel grafico si può osservare che, a parità di velocità di propagazione, si ha un fattore di intensificazione degli sforzi molto diverso tra il caso sterile e quello non sterile. Dunque, basta uno sforzo più basso per far propagare il difetto e il materiale risulta essere più fragile.

Lezione 2: 01/03/2022

Analisi dei rischi

I dispositivi dovrebbero fare i conti con un rischio di insuccesso nella pratica professionale, il tentativo è quello di commisurare il rischio di insuccesso ad una certa probabilità di successo per essere consapevoli che il rischio può esserci ma è controllato. Chiaramente, il rischio va tarato su quello che è il beneficio biologico: posso accettare un rischio maggiore se il beneficio biologico che trarrò dal mio dispositivo è elevato.

Queste valutazioni sono normate, ovvero sono presenti delle normative europee in vigore, alle quali bisogna sottostare. Bisogna fare attenzione quando ci sono dei regolamenti perché, quando c’è un insuccesso, sarà molto importante che siano state rispettate tutte le richieste delle normative e dei regolamenti, non bisogna trovarsi nella situazione di non aver rispettato queste normative. Il successo deve essere tutto conforme allo stato dell’arte normativo scientifico.

L’analisi dei rischi si fonda sulla valutazione della:

• Probabilità che si realizzi una possibile causa di danno (%);
• Probabilità del verificarsi di conseguenti rischi associati (%);
• Probabilità del verificarsi di un danno biologico (%).

Posso pensare di considerare un’unica variabile, la probabilità totale (%), ovvero la probabilità che si verifichi il danno è data dal prodotto delle tre probabilità appena citate:

% = % × % × %

Questo però è un po’ riduttivo, bisognerebbe considerare prima le singole probabilità e poi quelle combinate. Se la probabilità del danno biologico è molto bassa (prossima a zero), e il rischio associato è molto alto, il prodotto avrà un numero basso; tuttavia, dal punto di vista di un progettista, non va bene avere una di queste probabilità alte. Questo è il motivo per cui è necessario considerarle singolarmente e poi combinate.

Passiamo ad un esempio: coppa acetabolare di una protesi femorale. In questo caso è visibile l’area di distacco (area superiore) e la zona in cui è avvenuto il distacco di tessuto osseo: l’area di distacco consiste in un materiale poroso, plasma spray, il quale possiede caratteristiche particolari per favorire l’integrazione della protesi con il tessuto osseo rispetto a materiali con superficie liscia; la zona in cui è avvenuto il distacco di tessuto osseo indica che c’è stato il fallimento, la rottura, del dispositivo, e si può osservare il distacco all’interfaccia (punto critico del dispositivo).

In questo caso possiamo definire:

• La possibile causa di danno (%): è il distacco del rivestimento che crea il collegamento tra la protesi e il tessuto osseo.
• Il rischio associato (%): è la mobilizzazione della protesi, un danno grave; potrebbe essere anche un distacco parziale, che si evidenzia prima con forti dolori nel paziente. Il distacco è accompagnato da un rilascio di d...