Nozioni, Appunti di Biomateriali

I Impianto:#dispositivo#medico#fabbricato#con#uno#o#più#biomateriali#totalmente#o#parzialmente#inglobato#al#di#

sotto#di#una#superfice#cutanea#o#mucosa;#

I Graft:#pezzo#di#tessuto#vivente,#o#insieme#di#cellule#viventi,#trasferito#da#una#zona#di#un#donatore#ad#una#di#

un#ricevente#con#lo#scopo#di#ricostruire#quest’ultima;#

I Trapianto:#una#struttura#completa#trasferita#da#una#zona#di#un#donatore#a#quella#del#ricevente#con#lo#scopo#

di#ricostruire#quest’ultima;#

Le#applicazioni#dei#biomateriali#nella#fabbricazione#di#protesi,#organi#artificiali#e#dispositivi#medici#sono#molto#vaste:#

I Alcune#di#queste#sono#usate#completamente#all’interno#dell’organismo#(protesi#oculari,#protesi#vascolari)#

I Altre#sono#completamente#esterne#anche#se#in#contatto#diretto#con#i#tessuti#viventi#(lenti#a#contatto,#

dializzatori,#ecc..)#

I Altre#sono#parzialmente#impiantate#(protesi#dentali,#suture,#cateteri)#

Inoltre# alcune# applicazioni# sono# permanenti,# altre# sono# temporanee,# altre# ancora# sono# periodiche.# Una# prima#

classificazione# delle# applicazioni# dei# biomateriali# riguarda# le# aree# di# applicazione;# Tuttavia# più# comoda# è# quella#

relativa#alle#classi#di#materiali:#Metalli,#Polimeri,#Ceramici,#Compositi#e#Materiali#biologici.#È#importante#sottolineare#

che# risulta# fondamentale# conoscere# la# struttura# dei# materiali# in# quanto# essa# determina# le# proprietà,# anche# quelle#

tecnologiche.# Occorre# considerare# che,# differentemente# dai# casi# normalmente# incontrati# nella# progettazione#

ingegneristica,#nel#progettare#un#organo#artificiale#o#in#generale#un#dispositivo#medico#si#ha#come#obiettivo#quello#di#

replicare# le# funzioni# fisiologiche# di# un# organo# o# di# un# tessuto# di# origine# naturale:# ciò# chiaramente# riduce# i# gradi# di#

libertà#del#progetto,#ed#impone#vincoli#ristretti#in#quanto#le#specifiche#funzionali#sono#fissate#rigidamente.#Secondo#

l’aspetto# fisico# della# protesi# (meccanico# e# dinamico),# i# gradi# di# libertà# sono# i# parametri# cinematici# necessari# a#

caratterizzare# il# moto,# o# l’atto# di# moto,# di# un# sistema.# Un# corpo# rigido# nello# spazio# tridimensionale# ha# 6# gradi# di#

libertà#(3#alla#traslazione#e#3#alla#rotazione).#Nel#problema#piano#il#corpo#ha#3#gradi#di#libertà#(2#alla#traslazione#e#1#

alla#rotazione).#In#un#sistema#di#N#corpi#rigidi,#il#grado#di#libertà#è#la#somma#dei#gradi#di#libertà#delle#sue#parti#ed#è#

uguale#al#numero#di#equazioni#scalari#necessarie#a#imporre#l’equilibrio#(vi#è#equilibrio#quando#la#risultante#delle#forze#

applicate# e# dei# momenti# è# nulla).# Un# vincolo# è,# invece,# ogni# impedimento# alla# libera# mobilità# dei# corpi.# Inoltre#

ingombri,# forma,# massa# e# le# altre# proprietà# fisiche# sono# vincolate.# Spesso# i# vincoli# non# sono# completamente#

conosciuti.# La# conoscenza# anatomica# e# fisiologica# di# un# organo# è# spesso# qualitativa# piuttosto# che# quantitativa,# e#

l’organo,#anche#se#di#poco,#varia#da#soggetto#a#soggetto.#È#quindi#la#conoscenza#dell’organo#naturale#la#base#della#

progettazione.#È#utile#tener#presente#una#rappresentazione#schematica#della#struttura#gerarchica#di#un#organismo;#

per# tale# motivo# definiamo# la# cellula,# il# tessuto,# l’organo,# l’apparato,# l’organismo:# la# cellula# è# l’unita# fisiologica# e#

morfologica# fondamentale# degli# organismi# viventi,# sia# animali# che# vegetali,# di# cui# possiedono# tutte# le# proprietà.#

Esistono# due# tipi# principali# di# cellule:# le# cellule# eucariotiche# e# le# cellule# procariotiche,# questi# due# tipi# presentano#

notevoli#differenze:#le#cellule#eucariotiche#possiedono#un#involucro#nucleare#che#separa#il#DNA#dal#resto#della#cellula,#

mentre#quelle#procariotiche#hanno#il#DNA#libero#nel#citoplasma#in#una#regione#detta#Nucleoide;#La#molecola#di#DNA#

procariotico# è# solitamente# di# forma# circolare,# mentre,# le# cellule# eucariotiche# presentano# più# molecole# di# DNA#

organizzate# in# cromosomi;# La# cellula# eucariotica# è# anche# più# grande# di# quella# procariotica;# La# cellula# procariotica#

oltre#alla#membrana#cellulare#presenta#anche#una#parete#cellulare#esterna#che#conferisce#forma#e#rigidità;#La#cellula#

eucariotica# presenta# organelli# intracellulari# rivestiti# da# membrana,# assenti# in# quella# procariotica;# Le# cellule#

eucariotiche# si# dividono# per# mitosi,# le# altre# per# scissione# binaria.# I# più# antichi# organismi# viventi# erano# procarioti#

unicellulari#autotrofi;#Una#forma#intermedia#tra#gli#organismi#unicellulari#e#pluricellulari#è#rappresentata#da#singole#

cellule,#comunque#autonome,#riunite#in#colonie.#Negli#organismi#pluricellulari#tutte#le#cellule#che#svolgono#la#stessa#

funzione#sono#riunite#a#formare#un#tessuto.#I#quattro#tipi#principali#di#tessuto#sono:#l’epiteliale#costituito#da#cellule#di#

forma# regolare# poste# a# mutuo# contato# con# interposta# scarsissima# sostanza# intercellulare,# connettivo# dato# da# una#

sostanza# fondamentale# nella# quale# sono# immerse# cellule# di# vario# tipo,# muscolare# costituito# da# cellule# di# forma#

allungata# e# contrattili,# quello# nervoso# costituito# da# neuroni# e# cellule# di# supporto# (cellule# gliali# di# supporto).# Un#

organo# invece# è# una# struttura# differenziata# costituita# da# cellule# e# tessuti# deputata# a# una# o# più# funzioni# specifiche#

nell’ambito# di# un# organismo,# insiemi# di# più# organi,# le# cui# funzioni# si# sommano,# dando# luogo# ad# una# funzione# più#

generale,#formando#un#apparato.#Infine#un#organismo#è#un#essere#vivente#e#in#quanto#tale#dotato#di#strutture#ben#

distinte#e#con#propri#caratteri#morfologici#e#funzionali.#Facendo#un#paragone#tra#un#organo#naturale#ed#uno#artificiale#

si# può# creare# una# parallelo# tra# cellule# e# biomateriali,# e# tra# tessuti# e# componenti# dell’organo# artificiale.# Le# cellule,#

come# i# materiali,# sono# caratterizzate# da# proprietà# chimicoIfisiche# e# dalle# relazioni# che# legano# tali# proprietà# a#

condizioni# esterne,# come# la# temperatura.# La# specializzazione# dei# tessuti# e# dei# componenti# assume# una# peculiare#

specificità# quando# questi# partecipano# al# funzionamento# dell’organo# che# costituiscono:# ad# esempio# nel# cuore# si#

osserva# che# i# vasi# coronarici# hanno# la# funzione# di# trasportare# e# accumulare# l’energia# chimica# associata# al# flusso# di#

sangue#che#li#percorre;#Le#fibre#muscolari#convertono#energia#chimica#in#energia#meccanica,#ecc..##

Anche#nel#cuore#artificiale#sono#evidenziabili#componenti#elementari#con#funzioni#specifiche#come#l’accumulatore#di#

energia#primario,#il#convertitore,#l’attuatore,#eccetera.#È#chiaro#quindi#che#ogni#organo#ha#un#organizzazione#a#livello#

molto# elevato# che# determina# una# elaborazione# energetica# complessa# grazie# all’assemblaggio# di# tessuti# o# di#

componenti# che# si# distinguono# in# termini# di# specializzazione# funzionale# e# di# caratteristiche# morfologiche.# Occorre#

inoltre# ricordare# che# ogni# organo# è# in# grado# di# funzionare# solo# in# quanto# appartiene# ad# un# organismo# vivente# e#

quindi#grazie#alle#relazioni#che#lo#legano#agli#altri#organi#dello#stesso#organismo.#La#scomposizione#a#livelli#è#dunque#

utile#nella#fase#di#progettazione#di#un#organo#artificiale#in#quanto#consente#un#analisi#dettagliata#su#base#funzionale.#

La#progettazione#è#intesa#come#l’insieme#delle#operazioni#che#portano#fino#alla#produzione#di#un#organo#artificiale.#In#

generale# un# progetto# tipo# può# prevedere# fino# ad# 8# fasi:# finalità,# analisi# del# contesto,# obiettivi,# target,# strategia,#

azioni,# monitoraggio,# valutazione.# Queste# devono# essere# corredate# da# una# pianificazione# economica# e# temporale#

dettagliata.#La#fase#di#progettazione#dell’organo#artificiale#prevede,#sia#per#l’organo#stesso,#sia#per#i#suoi#componenti,#

la#realizzazione#dei#disegni#costruttivi,#la#definizione#delle#modalità#di#funzionamento#e#la#scelta#dei#materiali.#Questa#

fase#prevede#anche#operazioni#di#calcolo#strutturale,#fluidodinamico,#energetico,#cinematico#e#dinamico.#Dunque#le#

operazioni# sono# suddivise# in# fasi# (fase# di# identificazione# dell’organo# naturale,# fase# di# progettazione# dell’organo#

artificiale,#fase#di#verifica,#fase#di#realizzazione,#fase#di#utilizzazione)#e#in#diversi#livelli#di#specializzazione#funzionale#

(cellule/materiali,# tessuti/componenti,# organo# naturale/artificiale).# In# fase# di# verifica# le# prove# devono# essere#

effettuate#sui#materiali,#sui#componenti#e#sul#prototipo#dell’organo#artificiale#e#può#portare#in#caso#di#insuccesso#a#

retroazioni# su# operazioni# o# fasi# precedenti.# Gli# organi# artificiali,# specialmente# quelli# intracorporei,# sono# dispositivi#

tecnologici#per#i#quali#è#previsto#l’uso#in#stretto#contatto#con#il#corpo#umano:#quest’aspetto#genera#un#fenomeno#di#

interattività# tra# il# dispositivo# tecnologico# e# l’organismo# ospite.# La# previsione# di# tali# fenomeni# è# quindi# di# grande#

importanza# in# quanto# quest’ultimi# possono# modificare# sostanzialmente# la# funzione# sia# dell’organo# artificiale# sia#

dell’ospite.# Tali# fenomeni# prima# di# essere# apprezzabili# su# scala# globale# si# generano# su# scala# locale:# basti# pensare# il#

fenomeno#della#coagulazione#del#sangue#in#un#dispositivo#artificiale#che,#prima#di#raggiungere#proporzioni#critiche,#si#

deve# essere# generata# su# scala# microscopica.# Il# problema# maggiore# che# riguarda# le# applicazioni# dei# biomateriali# è#

quello# della# compatibilità# con# l’ambiente# biologico:# compatibilità# morfologica,# che# riguarda# le# interfacce#

dimensionali,#quelle#di#forma#e#quelle#relative#alla#massa;#compatibilità#funzionale,#che#riguarda#il#ruolo#svolto#dalla#

protesi# o# dall’organo# artificiale# rispetto# al# ruolo# atteso;# biocompatibilità,# per# la# quale# non# è# sufficiente# che# il#

materiale# con# cui# un# dispositivo# è# costruito# sia# biocompatibile.# La# compatibilità# è# quindi# un# insieme# di# proprietà#

legate#all’interazione#tra#dispositivo#e#organismo.#Tale#interazione#è# un#fenomeno#dinamico#in#quanto#l’organismo#

evolve#nel#tempo#in#modo#non#facilmente#prevedibile# neanche#dalla# fisiopatologia,#in#quanto#la#sostituzione#di#un#

organo#o#di#un#tessuto#con#un#dispositivo#artificiale#conduce#a#situazioni#nuove.#Le#previsioni#più#accurate#sono#di#

tipo# probabilistico.# La# compatibilità# conduce# quindi# al# problema# dell’affidabilità# necessaria# in# quanto# è# spesso#

impossibile#effettuare#la#manutenzione#o#la#sostituzione#di#componenti#malfunzionanti.#Tale#affidabilità#è#legata#a#3#

fattori:# il# tempo,# la# posizione# e# la# funzione.# È# chiaro# che# l’affidabilità# e# la# compatibilità# di# un# dispositivo# debbano#

essere# superiori# se# esso# deve# ess