Progettazione di endoprotesi - Appunti completi

Progettazione di endoprotesi

Lezione 1: Generalità

"Possiamo riprogettare il corpo umano?" Tutto nasce dalla domanda: questa domanda va in realtà scissa in due sotto domande: "Siamo capaci?" -> aspetti tecnologici "Siamo autorizzati?" -> aspetti tecnoetici.

La risposta generale alla domanda prima posta è no, non possiamo riprogettare il corpo umano perché ogni tessuto biologico ha una specifica funzione. Ad oggi non siamo in grado di sostituire integralmente i tessuti ma possiamo sostituirne la funzione con un dispositivo artificiale diverso dal tessuto originale. A questo punto sorge spontanea la domanda: "Siamo autorizzati ad aumentare tale funzione?" La sostituzione di una funzione è assolutamente lecita ma il potenziamento della stessa entra a contatto con alcuni aspetti etici non banali. A questi si aggiungono anche degli aspetti riguardanti il mercato economico: ci si chiede "un particolare dispositivo viene accettato dalle persone?"

Il passo successivo è l'aumento. Lo scopo di un dispositivo è quindi il ripristino della funzione; della possibilità di utilizzo l'aumento della funzione: (innovazione). A questi, infine, può seguire le nuove soluzioni tecnologiche permettono di migliorare o modificare le funzioni (ma, come già detto prima, ci sono dei limiti etici e legati alle richieste di mercato).

Talvolta, inoltre, può accadere che, implementando una protesi, alcune funzioni vengano ridotte. Le protesi, infatti, essendo costituite da materiale artificiale, tendono a peggiorare nel tempo e hanno una resa ottimale solo al tempo zero. Imitando la forma naturale della parte del corpo che si va a sostituire, le protesi possono svolgere la funzione associata a tale parte: ovviamente non è però una soluzione ottimale. Infatti, le protesi non hanno la medesima capacità adattativa e rigenerativa dei tessuti biologici. La sostituzione artificiale permette quindi di ripristinare la funzione ma sempre con delle problematiche.

Da qui nasce l'idea di non utilizzare dei materiali artificiali ma di utilizzare invece dei tessuti biologici (si parla allora di ingegneria dei tessuti). Lo scopo è quello di creare in laboratorio il tessuto sano per sostituire in vivo quello malato: un esempio che ha avuto un notevole successo è la cartilagine viene usata anche nelle protesi di ginocchio. L'ingegneria dei tessuti è bioartificiale (che è il primo passo per la realizzazione degli organi personalizzati, tali da avere la medesima forma, funzione e gli stessi materiali degli organi presenti nel corpo). Tali organi saranno progettati non in serie ma in maniera specifica: saranno custom-made.

Ad oggi qualsiasi parte del corpo ha una sostituzione protesica, più o meno efficaci: alcune soluzioni sono permanenti, altre periodiche. Anche il posizionamento delle protesi può variare: alcune protesi sono extra-corporee, altre sono interne e altre ancora sono parzialmente interne e parzialmente esterne. A seconda del tessuto anatomico che viene sostituito le protesi presentano caratteristiche anche molto diverse, a livello strutturale, funzionale e come metodologia e durata di impianto. -> Molteplicità di caratteristiche e requisiti.

Caratteristiche generali delle protesi

Affinché le protesi riescano a sostituire in modo soddisfacente le funzioni di un certo tessuto od organo sono fondamentali 3 aspetti:

• Forma: deve ricalcare quella anatomica in modo da permettere di svolgere la funzione che aveva la parte originale. Negli ultimi anni si è passato dalla produzione di protesi standardizzate alla produzione di protesi costumizzate.
• Funzione: deve permettere possibilmente tutti i movimenti e le funzioni svolte originariamente dall'organo/tessuto sostituito.
• Materiali: utilizzare materiali adatti al tipo di funzione che la protesi deve svolgere, in alcuni casi materiali artificiali, in altri casi tentativi di ricreare in laboratorio del tessuto vivo sano da sostituire a quello patologico (ingegneria dei tessuti).

La sostituzione dei tessuti patologici con nuovi tessuti sani ricreati in laboratorio è un'alternativa alla sostituzione protesica e deve rispettare requisiti diversi da quelli delle protesi artificiali.

Definizioni

• Materiale: ogni sostanza utilizzata per costruire oggetti.
• Biomateriale (1982): ogni sostanza o combinazione di sostanze, diversa da un farmaco, di origine sintetica o naturale, che può essere impiegata per qualsiasi periodo di tempo, da sola o come parte di un sistema che tratta, aumenta o sostituisce un qualsiasi tessuto, organo o funzione del corpo -> definizione molto generica, che comprende un po' di tutto (anche il trapianto di tessuto vivente). L'utilizzo dei biomateriali è diverso dai meccanismi farmacologici; può essere extra corporeo e può avere finalità mediche.
• Biomateriale (1986): una sostanza non vivente utilizzata nella fabbricazione di un dispositivo medico che ha in qualche punto un'interfaccia con un tessuto vivente -> definizione più puntuale. Esclude materiali viventi, include invece i materiali di origine biologica. Inoltre, viene meglio specificata la funzionalità.
• Biocompatibilità: la capacità di un materiale di determinare, da parte di un sistema vivente, una favorevole reazione alla sua presenza in una specifica applicazione -> si associa la biocompatibilità ad uno specifico materiale e ad una specifica applicazione: non è una proprietà del materiale! Fino al 2000 la biocompatibilità era definita come la capacità di un materiale di non provocare una reazione ostile: si includevano quindi anche i materiali inerti. Oggi invece per biocompatibilità si intende anche la capacità di generare una reazione positiva.
• Protesi: un dispositivo che sostituisce un arto, un organo o un tessuto del corpo umano.
• Endoprotesi: una protesi impiantata nel corpo umano -> può essere anche parzialmente interna e parzialmente esterna.
• Organo artificiale: una protesi che sostituisce un organo naturale.
• Bioprotesi: una endoprotesi costituita totalmente o sostanzialmente da un tessuto biologico trattato e non vivente -> è costituita, almeno in parte, da un tessuto biologico trattato per essere non vivente (che viene usato come materiale artificiale).
• Graft: un pezzo di tessuto vivente, o un insieme di cellule viventi, trasferito da una zona di un donatore ad una zona di un ricevente con lo scopo di ricostruire quest'ultima -> è un tessuto vivente non una protesi!
• Trapianto: una struttura completa, ad esempio un organo, che viene trasferita da una zona di un donatore ad una zona di un ricevente con lo scopo di ricostruire quest'ultima -> anche questa è una parte vivente!

NB: il corpo umano rigetta solo una struttura vivente, per le protesi non si può parlare di rigetto.

Classi di biomateriali

A seconda della applicazione vengono utilizzati diversi tipi di materiali, che presentano sia vantaggi che svantaggi, determinanti per la scelta nella specifica applicazione per cui vengono utilizzati. I materiali compositi sono un caso particolare per la loro variabilità: sono infatti un mix di materiali diversi.

Progettazione di un dispositivo medico

Si tratta di un processo iterativo finché la valutazione non assicura che i requisiti vengano completamente soddisfatti.

• Individuazione dell'obiettivo: conoscenza dell'organo naturale (come è strutturato e che funzioni ha). Si vuole sostituire un intero organo (o un tessuto) e tutte le sue funzioni.
  • Problema: conoscenza dell'organo/tessuto naturale (in termini di prestazioni). Vi sono tuttavia delle criticità:
    • Prestazioni determinate a priori.
    • Le prestazioni sono conosciute più in termini qualitativi che quantitativi -> non è facile misurare le prestazioni.
    • Variabili da soggetto a soggetto: le soluzioni sono prodotte in serie ma risentono della variabilità dei soggetti.
• Ideazione del sistema artificiale; fase creativa: si fa un parallelismo tra l'organo naturale e l'organo artificiale in termini di:
  • Componenti -> tessuti.
  • Materiali -> cellule.
  Si cerca di copiare le singole parti e poi rimontarle: non è un metodo molto efficace perché ciascuna componente ha una diversa capacità adattativa. Quindi replicare dell'organo naturale non funziona. Si implementa allora un approccio funzionale per cui si copia la funzione non la struttura dell'organo/tessuto. Ad esempio, quando si vuole sostituire un vaso sanguigno non si replica la struttura a strati dei vasi originali (tunica intima, media e avventizia), ma si costruisce una protesi che sia in grado di svolgere le funzioni di accumulo e rilascio di sangue nel modo più funzionale possibile.
• Realizzazione tecnologica: fabbricazione (con i materiali disponibili). Il processo tecnologico è inteso come il processo che permette di ottenere un materiale con determinate prestazioni e proprietà strutturali diverse dalle proprietà chimico-fisiche della sostanza di partenza; con il materiale prodotto viene poi fabbricata la protesi (dispositivo) con le proprietà funzionali volute. Ad esempio, per quanto riguarda le protesi vascolari il processo tecnologico consiste nella produzione di fibre polimeriche (PTFE) a partire dalle sostanze di partenza che vengono poi intrecciate a dare la protesi finale.
• Valutazione: nel caso in cui l'esito della valutazione sia negativo, bisogna tornare alle fasi precedenti. La valutazione può essere:
  • Sui materiali: si valuta la biocompatibilità, le proprietà fisiche, chimiche e meccaniche.
  • Sui componenti: mediante prove funzionali.
  • Sull'organo artificiale (protesi): mediante prove funzionali in vitro, in silico (prove virtuali in cui si cerca di costruire un modello virtuale della protesi e la si testa in modo computazionale), in vivo o mediante prove cliniche (reclutare dei pazienti e testare il dispositivo).
  • Sull'organismo complessivo.

Lezione 2: Compatibilità

La compatibilità riguarda gli aspetti di interazione tra il dispositivo medico e l'organismo ospite. Ogni volta che si impianta una protesi, il corpo reagisce e le reazioni possono essere molto diverse tra loro. La compatibilità è un fenomeno dinamico (con condizioni iniziali non sempre note) perché varia nel tempo: l'interfaccia vivente ha capacità adattative e quindi la reazione tende a modificarsi.

Esigenze di compatibilità

Esistono diversi tipi di compatibilità:

• Anatomica: riguarda le dimensioni, il peso e la forma del dispositivo, che devono adattarsi all'organismo ospite e replicare al meglio la parte anatomica che va sostituita. Si devono quindi rispettare dei vincoli dimensionali, di forma e di peso. Quest'ultimo è un aspetto di minore importanza quando si parla di protesi articolari ma è un aspetto molto rilevante quando si trattano protesi a contatto con tessuti molli.
• Funzionale: la protesi deve essere in grado di replicare la funzione della parte anatomica che deve sostituire; nessuna protesi al giorno d'oggi è in grado di sostituire completamente le funzionalità dei tessuti biologici, ma a seconda dei casi e dei requisiti che ci si pone si possono raggiungere diversi risultati. La difficoltà in questo caso è che le specifiche richieste dalla protesi non sono sempre definite in maniera precisa e che spesso derivano da indicazioni cliniche. Ad esempio, a seconda dell'età del paziente e del suo stile di vita si scelgono e progettano protesi che soddisfino alcuni requisiti piuttosto che altri.
• Biologica: detta anche biocompatibilità. È la proprietà di un materiale riferita ad una specifica applicazione. È legata in particolar modo al materiale utilizzato per la produzione della protesi e all'interazione tra il materiale e l'organismo; non esistono molti materiali che soddisfano i requisiti di biocompatibilità, che sono sicuri da utilizzare e per cui sono stati effettuati molti test, quindi per la produzione di dispositivi medici i progettisti possono scegliere tra una piccola gamma di materiali.
• Chirurgica: legata all'intervento di chirurgia atto ad inserire la protesi nel corpo (fase molto critica); la corretta progettazione ed esecuzione sono fondamentali per il successo del dispositivo, mentre un difetto in questa fase potrebbe portare ad un fallimento. La protesi deve essere progettata in modo che l'impianto chirurgico sia il più semplice possibile e metta il chirurgo in una situazione in cui le complicazioni durante l'intervento siano ridotte al minimo. È quindi fondamentale facilitare l'atto chirurgico perché:
  • Il lavoro del chirurgo è complicato, non lo si può rendere ancora più difficile.
  • L'intervento influenza fortemente la compatibilità anatomica: la forma del dispositivo deve essere correlata alla possibilità di impiantarlo e lo strumentario usato deve adattarsi ad approcci chirurgici diversi (si tende ad usare approcci mini invasivi per offendere meno i tessuti del paziente e per garantire un recupero più veloce ed efficacie; la mininvasività fa riferimento anche alle dimensioni delle protesi).
  La compatibilità chirurgica riguarda quindi anche la progettazione degli strumenti chirurgici necessari durante l'intervento e le modalità di utilizzo che il chirurgo deve imparare. La protesi deve quindi essere progettata anche in vista dell'intervento, ad esempio la sua forma deve essere studiata per permetterne l'inserimento secondo una certa procedura. Vanno però bilanciati diversi aspetti, tra i quali l'invasività dell'intervento per il paziente e la facilità di intervento per il chirurgo, che spesso sono in contrasto, ad esempio un intervento micro-invasivo è molto favorevole per il paziente ma rende l'intervento molto difficile per il chirurgo perché riduce il campo visivo e di azione e rende più complicato e sofisticato lo strumentario necessario. Inoltre, i produttori hanno un ricavo economico vendendo le protesi agli ospedali, mentre generalmente gli strumentari vengono dati in comodato d'uso, quindi tale spesa deve essere ammortizzata in qualche modo; vi è quindi un conflitto tra la spesa da sostenere per lo strumentario e la progettazione di un nuovo strumentario e di nuovi interventi.

Fattori che influenzano la compatibilità

• Durata dell'applicazione: la compatibilità deve essere maggiore se maggiore è il tempo in cui un dispositivo rimane nel corpo. I dispositivi possono essere:
  • Permanenti: ad esempio protesi articolari.
  • Temporanei: ad esempio mezzi di osteosintesi.
  • Periodici: è il caso, ad esempio, dei dispositivi interfacciati con le macchine per dialisi; hanno esigenze di compatibilità simili a quelle di un dispositivo temporaneo.
• Posizione dell'applicazione: la posizione del dispositivo influenza la biocompatibilità, in particolare i dispositivi esterni devono soddisfare requisiti più semplici rispetto a quelli totalmente impiantabili, perché ad esempio si può effettuare facilmente manutenzione, che invece non è possibile fare su dispositivi impiantati. Può essere:
  • Extracorporea: per cui è possibile fare una manutenzione (macchine per dialisi).
  • Intracorporea: il dispositivo non può essere mantenuto e non si può pensare ad una manutenzione programmata perché implicherebbe un intervento chirurgico.
  • Percutanea: ha requisiti particolari legati al fatto che c'è un'apertura nel corpo in fase di utilizzo del dispositivo (bisogna minimizzare le reazioni avverse).
• Tessuti a contatto: a seconda del tipo di tessuti varia la progettazione.
• Tipo di funzione: i requisiti di biocompatibilità richiesti sono molto diversi a seconda dell'applicazione e della funzione vicariata dal dispositivo, perché eventuali fallimenti comporterebbero effetti molto diversi. Può essere:
  • Vitale.
  • Non vitale.

Biocompatibilità

La biocompatibilità venne definita per la prima volta nel 1986 durante la Consensus Conference. Definizione: la biocompatibilità è la capacità di un materiale di determinare, da parte di un sistema vivente, una favorevole reazione alla sua presenza in una specifica applicazione. È importante ricordare che il sistema biologico non è in grado di valutare gli effetti globali, ma solo quelli locali. La biocompatibilità va quindi valutata considerando che il corpo agisce appunto localmente. L'organismo, quindi, non riconosce che il dispositivo impiantato è lì per assolvere una funzione che l'organismo ha perso, ma lo riconosce semplicemente come un corpo estraneo che va eliminato, quindi la biocompatibilità va valutata in modo locale. Vi è una duplice interazione tra il biomateriale e il tessuto, ovvero il dispositivo stimola una reazione da parte dell'organismo, che può a sua volta avere un certo effetto sul biomateriale che ne causa una diminuzione di biocompatibilità.