Progettazione di endoprotesi - Prof. Pietrabissa e Villa

Lezione 1 - 04/10/2016

Generalità

Affinché un dispositivo medico sia impiantabile, devono essere soddisfatti due requisiti fondamentali: la compatibilità e l'affidabilità. Questi costituiscono i punti cardine e fanno parte delle prestazioni che devono essere massimizzate.

La soluzione tecnica mette insieme vari aspetti. La forma del dispositivo è tale da assolvere alla funzione e da definirla, e il disegno tecnico non è altro che lo schema della soluzione adottata per assolvere a una funzione. A parità di problema tecnico, esistono approcci diversi che portano a soluzioni diverse. Il disegno mi dà la forma e le dimensioni del dispositivo, ma devo essere in grado di costruirlo e mi servono dei materiali appositi. Devo inoltre essere in grado di lavorare il materiale per ottenere la forma voluta e quindi mi servono delle tecnologie adatte. Non tutti i materiali possono essere lavorati per ottenere la forma voluta e non tutti hanno le proprietà necessarie per assolvere alla funzione che voglio che il dispositivo svolga.

La qualità del dispositivo è un concetto legato alla serialità. I dispositivi prodotti devono essere uguali tra loro ed avere le stesse prestazioni. La prestazione del dispositivo non deve nuocere al paziente, ed è per questo che esistono delle condizioni di sicurezza. Da qui deriva l'analisi dei rischi; essa è basata sull'accettabilità dei rischi, in quanto il rischio non può essere zero ma esiste un rischio accettabile e esso varia da dispositivo a dispositivo. Devo quindi identificare il rischio accettabile per un determinato dispositivo e capire come posso sapere se il mio dispositivo ha un rischio inferiore al rischio massimo accettabile.

Nella maggior parte dei casi la protesi sostituisce una funzione che è venuta meno a causa di una malattia o di un trauma. Le patologie si distinguono da un punto di vista medico-clinico principalmente in due categorie: malattie trasmissibili (infettive o quelle trasmesse geneticamente dai genitori ai figli) e malattie non trasmissibili (come quelle cardiovascolari, cancro, diabete, malattie neurodegenerative, obesità). Tra le malattie non trasmissibili ci sono anche le patologie da trauma, che sono patologie accidentali, tipicamente acute. Al contrario, le malattie non trasmissibili, non traumatiche, sono malattie quasi sempre croniche e non si riesce a curarle. Le malattie colpiscono i tessuti e, a seconda del tessuto colpito, possono colpire l'intero organismo (sangue) o restare localizzate (diabete). Tradizionalmente, sia per le patologie traumatiche che per alcune patologie non trasmissibili, si è ritenuto che potesse esserci la possibilità di sostituire tessuti, organi o parti di organo per ripristinare la funzione.

I dispositivi impiantabili sono moderni poiché è moderna la chirurgia. La chirurgia moderna nasce, in particolare, con due scoperte che sono l'anestesia e la conoscenza delle infezioni (prima l'intervento portava alla morte proprio a causa delle infezioni, non si sapeva che esistessero i batteri contaminanti e non esisteva la sterilizzazione). Il rischio chirurgico e il rischio di non effettuare l'intervento chirurgico sono la chiave con la quale si può valutare se la protesi è efficace o no. Quando posso decidere di mettere una protesi in un paziente? Dipende dal rischio. Cioè dipende quanto è rischioso l'impianto della protesi rispetto al non metterla. La rischiosità della protesi è il punto che ci permette di capire quando utilizzarla. Mettere una protesi comporta dei rischi, quindi si mette solo quando il rischio è inferiore rispetto a quello che si ha se la protesi non viene messa. Ad esempio, il cuore artificiale viene sostituito solamente quando il paziente non ha più prospettive di sopravvivenza. La visione globale della sostituzione dell'organo è anche la capacità di fare delle sostituzioni in cui il dispositivo e la chirurgia necessaria per applicare il dispositivo siano sufficientemente sicure da essere meno rischiose rispetto al non farlo.

Quando sostituisco una funzione, posso pensare di sostituirla con una funzione normale oppure con una funzione aumentata; dietro ci sono anche problemi etici. Nella progettazione della protesi dobbiamo tenere in considerazione della forma dell'organo. La relazione fra i tessuti circostanti e la protesi che sostituisce un tessuto è un problema di biocompatibilità. L'esistenza della protesi all'interno del corpo modifica le condizioni al contorno e, cambiando le condizioni al contorno, i tessuti biologici circostanti si adattano. Nella bioingegneria la condizione al contorno è quasi sempre biologica; ciò non vale per gran parte dei sistemi. Le condizioni al contorno cambiano, quindi, la struttura, la funzione e le dimensioni dei tessuti biologici. Il tentativo logico a priori è quello di realizzare un dispositivo impiantabile che non cambi i tessuti circostanti, quindi che abbia un'interfaccia che non venga riconosciuta come diversa. Ciò ad oggi non è ancora possibile. L'unico tentativo molto vicino è quello del trapianto del tessuto, cioè prendendo un altro tessuto biologico, dove anche in questo caso abbiamo una risposta che è quella immunitaria.

Materiali e biomateriali

Materiale: sostanza utilizzata per costruire oggetti. Per sostanza si intende una specie con caratteristiche fisiche e chimiche. Nel momento in cui tale sostanza è utilizzata per realizzare qualcosa diventa un materiale. La sostanza ha proprietà fisiche e chimiche, mentre il materiale ha una forma e una funzione. Il materiale può anche essere costituito da più sostanze.

Biomateriale: è una sostanza utilizzata per realizzare dispositivi medici. Tale parola ha avuto una sua evoluzione. In questo caso teniamo in considerazione che la sostanza sia non vivente (il che non significa che non possa essere di origine biologica, ma che deve essere eliminata la parte vivente) ed utilizzata per la realizzazione di un dispositivo medico. Il dispositivo medico deve avere da qualche parte un'interfaccia con un tessuto vivente. Ad esempio, l'occhiale non ha un'interfaccia con un tessuto vivente, poiché per tessuto vivente intendiamo quello vascolarizzato e quindi parliamo di qualcosa che entra nel corpo umano.

Biocompatibilità: la biocompatibilità non è una proprietà di un materiale, poiché la proprietà di un biomateriale è definita come la capacità di misurare la risposta di un materiale ad un'azione a cui è sottoposto, come ad esempio il modulo elastico oppure la conduttività. La biocompatibilità non è misurabile (e non ha unità di misura) poiché è la capacità di un materiale di determinare una reazione favorevole alla sua presenza in una specifica situazione. La reazione favorevole non è qualcosa di misurabile. Un materiale biocompatibile interagisce con i tessuti biologici senza produrre reazioni avverse. Inoltre, la biocompatibilità è dipendente non solo dal materiale ma anche dal materiale rispetto alla sua applicazione; ad esempio, l'oro è biocompatibile per fare le capsule dei denti, ma non per fare le protesi d'anca. La biocompatibilità è la somma di una serie di proprietà misurabili del materiale.

Protesi e endoprotesi

Protesi: dispositivo medico che sostituisce un arto, un organo o un tessuto. In genere, sostituisce i tessuti per sostituirne la funzione. Rispetto alla funzione che vado a toccare, sostituendo il tessuto, andiamo a variare anche altre funzioni. Devo valutare in che modo ripristinare tutte le funzioni che assolveva il tessuto che ho eliminato.

Endoprotesi: vengono definite così quelle impiantate all'interno del corpo umano. Una differenza principale tra le protesi extracorporee e le endoprotesi è il concetto di manutenzione. Le protesi extracorporee possono essere manutenibili mentre quelle impiantabili, in generale, non lo sono, perché, una volta dentro, devono funzionare il più a lungo possibile, e di conseguenza c'è un tema di affidabilità differente.

Il trapianto è l'alternativa biologica all'uso della protesi. Nel seguente caso abbiamo la reazione del sistema immunologico che reagisce alla presenza di un patrimonio genico differente tendendo all'eliminazione dell'organo trapiantato o del graft (pezzo di tessuto trapiantato). Tale fenomeno è quello che va sotto il nome di rigetto. Non si parla di rigetto nel caso della protesi, poiché la protesi non è riconosciuta dal sistema immunitario non avendo un patrimonio genetico. Ciò che può accadere è il fallimento della protesi, si possono avere fenomeni allergici o tossici ma non immunitari.

Non esistono materiali sviluppati per risolvere casi clinici, ma esistono materiali sviluppati per altre applicazioni che hanno mostrato buone proprietà anche in questo caso. I cosiddetti biomateriali sono di fatto materiali sviluppati dall'industria per altre applicazioni e poi adattati. Abbiamo più classi di biomateriali:

• Metalli
• Polimeri
• Ceramici
• Biologici
• Compositi

Il materiale viene scelto in relazione alla forma che devo realizzare e alla tecnologia che posso utilizzare rispetto ad alcune proprietà del materiale. Tale classificazione dei materiali fa riferimento alla natura dei materiali che prospetta da un punto di vista tecnologico grandi categorie di proprietà.

I metalli hanno buone proprietà meccaniche, così come anche i ceramici, tuttavia questi ultimi sono fragili. I biologici sono altamente biocompatibili, ma hanno proprietà meccaniche che degenerano nel tempo poiché la componente biologica si degrada nel tempo. I polimeri sono facilmente lavorabili, mentre i metalli sono molto rigidi. La scelta del materiale dipende dalla funzione che il dispositivo deve svolgere.

Il processo con il quale viene progettata una protesi, ovvero il processo di sviluppo, prevede come primo punto l'individuazione dell'obiettivo, cioè io devo sapere quali sono tutte le funzioni dell'organo che devo sostituire. Tali funzioni non vengono decise ma esistono già. Dopodiché c'è una fase creativa che prevede l'ideazione del sistema artificiale che faccia queste cose, che risponda a queste specifiche (dimensione e rendimento). Dopodiché realizzo il dispositivo e devo realizzare qualcosa che mi consenta di verificare che la soluzione che ho pensato sia la soluzione ai problemi che avevo definito. Valuto che ciò che avevo individuato sia realizzato. Avremo una serie di percorsi all'indietro che mi permetteranno di introdurre specifiche di progetto. Alla fine del percorso, se il percorso finisce, ho approvato il progetto e posso partire con la sua realizzazione.

Lezione 2 - 05/10/2016

Nel momento in cui eliminiamo il sistema naturale (tessuto o organo) non siamo interessati a ripristinare il tessuto o l'organo in sé ma la sua funzione, poiché l'organismo vede l'interfaccia. Devo, quindi, ideare un sistema che all'interfaccia riproduca la funzione che ho eliminato.

In questo approccio uno dei temi critici è sicuramente la progettazione della soluzione tecnologica, però deve essere anche chiaro che devo capire quali sono gli effetti che devo riprodurre. C'è un modo diverso che non è quello di analizzare esclusivamente la prestazione, ma analizzare come è fatto un sistema e dedurne la prestazione dalla composizione. Nei sistemi biologici la composizione riproduce sempre lo stesso schema, in cui abbiamo una funzione elementare.

Le cellule hanno delle funzioni elementari che consentono l'ottenimento di una matrice extracellulare con particolari proprietà ed esprimono quindi le proprietà elementari dei tessuti, le consideriamo quindi allo stesso livello dei materiali. La composizione di cellule porta alla costituzione dei tessuti che sono su un livello organizzativo superiore, cioè noi possiamo avere la stessa cellula in tessuti diversi, ottenendo tessuti con proprietà diverse. Sopra a questo ci sono gli organi che hanno una complessità superiore, cioè ogni organo è formato da più tessuti, fino all'organismo.

Se devo progettare un organo artificiale, lo studio dell'organo naturale secondo questa visione è uno studio di scomposizione, cioè cerco di ricostruire l'organo ricostruendo la funzione dei singoli pezzi. Ciò ci permette di individuare delle prestazioni che non erano individuabili osservando solamente l'interfaccia. L'organismo è un sistema che funziona in relazione all'istantanea e continua collaborazione di tutti i pezzi. Il fatto che un organo non funziona, crea problemi ad altri. Nel mio sistema di interfaccia, da una parte devo avere un'interfaccia funzionale che mi replichi tutte le funzioni, mentre dall'altro lato devo avere un'interfaccia che mi faccia percepire il sistema artificiale come un sistema integrato in tutti gli altri componenti e da qui deriva il tema di compatibilità: integrazione di un sistema isolato che è l'organismo.

L'esempio di questo approccio è l'arteria che è un componente del sistema cardiocircolatorio di per sé ingegneristicamente semplice. L'arteria può avere dei malfunzionamenti a causa di stenosi o aneurismi e la soluzione è quella di sostituire la stessa con un'altra struttura, tuttavia l'arteria non ha come sola funzione quella di permettere lo scorrimento del sangue ma devo tenere in considerazione che la stessa deve essere capace di resistere alla pressione presente al suo interno ecc.

Nel caso del sistema cardiocircolatorio dovrei avere una portata abbastanza continua con delle variazioni in funzione dell'esigenza. Tuttavia in natura non siamo in grado di fare pompe continue ma le pompe sono pulsanti ed ecco che le arterie, grazie alla loro elasticità, svolgono la funzione di smorzare la pulsatilità del sangue. Inoltre, le arterie hanno una superficie interna che impedisce la coagulazione del sangue. Sappiamo che le arterie sono costituite da tre tuniche, una interna formata da uno strato cellulare che previene la coagulazione del sangue o stimolarla nel caso di danno (tunica intima), ho una struttura, chiamata tunica media, che dà le funzioni macroscopiche di viscoelasticità ed ho la struttura esterna che consente al tessuto vascolare di rigenerarsi. A me questo non interessa nell'organo artificiale poiché lo stesso non è vitale. È una funzione che possiamo quindi eliminare. Mi resta la funzione interna, cioè la compatibilità con il sangue e quella esterna che posso studiare andando ad analizzare la microstruttura dell'arteria. Possiamo quindi immaginare di riprodurre la funzione riproducendone la struttura.

Questo stesso ragionamento è applicabile al sistema artificiale. Partiamo quindi dalla sostanza che ha delle proprietà chimico-fisiche (chimiche si intende la capacità che ha la sostanza di trasformarsi chimicamente quando è in contatto con altre sostanze, mentre quelle fisiche sono il cambiamento delle proprietà dipendente dalle condizioni al contorno. Normalmente le proprietà fisiche sono reversibili come ad esempio il passaggio di stato). La tecnologia, cioè la capacità di trasformare le sostanze, ci permette di ottenere un materiale con una propria struttura. La stessa sostanza può essere trasformata in più cose e, nel fare questo, posso modificarne anche le proprietà. Senza alcuna modifica chimica abbiamo quindi dato una forma e delle proprietà al nostro materiale. Tali materiali possono essere utilizzati per realizzare dispositivi ed anche qui otteniamo delle prestazioni finali che sono in parte legate alla sostanza che utilizzo.

Nella realizzazione della protesi vascolare devo tenere anche in considerazione il fatto che questa debba essere suturabile per far sì che si possa applicare e la suturabilità non è un concetto previsto nella arteria naturale. La suturabilità ha a che fare con l'esigenza di sostituzione dell'arteria. C'è quindi un ulteriore requisito non presente nell'organo originale. Stiamo quindi facendo uno schema logico che permetta di individuare le prestazioni da riprodurre e cominciare ad immaginare delle soluzioni tecnologiche che possano riprodurle.

Un esempio può essere fatto considerando il cuore. Se noi facessimo l'operazione di scomposizione per riproduzione delle funzioni, otteniamo una suddivisione a blocchi in cui ciascun blocco svolge una specifica funzione. Sulla base di questo vorremmo riprodurre le varie funzioni. Abbiamo quindi bisogno di un sistema contrattile che cambi il volume delle camere nel tempo, di sistemi che garantiscano la direzionalità del flusso sanguigno (valvole) e di energia che permetta la contrazione ai giusti istanti di tempo.

Una semplice soluzione che risponde a queste esigenze è una semplice pompa realizzata con dei pistoni opportunamente dimensionati. Per l'energia utilizziamo un piccolo motore elettrico, una batteria che l'alimenta ed un'unità di processo che ci dice a che velocità andare a seconda dell'attività svolta dall'uomo. È evidente che tale soluzione non possa andare bene per vari motivi. Ad esempio, tutto lo scambio termico dovuto al rendimento è concentrato nel motore, che di conseguenza si surriscalda. Questo perché lo scambio di calore nel caso del motore è concentrato, mentre nel cuore reale c'è un sistema di vascolarizzazione che permette la dissipazione del calore. Abbiamo, inoltre, bisogno di una compatibilità anatomica.

Supponendo di aver realizzato una pompa che funzioni, abbiamo bisogno di provare questa pompa. Nel corso degli anni sono stati fatti molti esperimenti di questo tipo sugli animali, tuttavia l'animale ha una struttura anatomica differente da quella dell'uomo.