Progettazione di Protesi ed Organi Artificiali - Appunti

TENT! ASCOLARI!

Lo+ stent+ è+ una+ struttura+ metallica+ cilindrica+ a+ maglie+ che+ viene+ introdotta+ negli+ organi+ a+ lume+ (cioè+ gli+ organi+ cavi+

propriamente+detti+o+visceri,+come+l'intestino,+oppure+i+vasi+sanguigni)+e+fatta+espandere+fino+a+che+il+suo+diametro+è+

pari+a+quello+del+lume.+In+questo+modo+si+può,+per+esempio,+ridurre+una+stenosi,+escludere+un+aneurisma+o+mantenere+

pervio+il+viscere.+

Le+cause+che+possono+portare+all'impianto+di+uno+stent+possono+essere+diverse:+

fumo,+pressione+sanguinea+alta,+tossine+che+causano+danni+all'endotelio+dei+vasi,+

• due+diversi+tipi+di+placche:+

• 1. ateromatose,+

2. fibrose+→+simili+alle+prime+ma+con+tessuto+fibroso.+ 3

Placca

Le+malattie+cardiache+e+gli+infarti+sono+la+maggior+causa+di+morte+nel+mondo+occidentale,+solo+nel+

2001+gli+scompensi+cardiaci+hanno+causato+la+morte+di+oltre+245+mila+persone+nel+Regno+Unito.+

Gli+infarti+si+hanno+quando+alcuni+vasi+coronarici,+che+hanno+compito+di+portare+nutrimento+al+cuore,+si+occludono+per+

cui+manca+perfusione+al+miocardio+e+la+parte+non+irrorata+necrotizza;+se+non+è+letale+è+possibile+riprendere+la+situazione+

riattivando+la+circolazione+con+diverse+tecniche.+

+

Per+consentire+il+passaggio+del+sangue+si+applicano+tecniche+di+rivascolarizzazione:+

bypass3(CABG):+il+cardiologo+anastomizza+la+vena+safena+in+un+punto+a+monte+ed+uno+a+valle++

• dell'occlusione+ così+ da+ ripristinare+ la+ perfusione.+ Uno+ svantaggio+ è+ il+ post^

operatorio+di+circa+una+decina+di+giorni;+

+ 3

CABG

angioplastica3(PTCA):+viene+incisa+o+l'arteria+femorale+o+la+brachiale+poi++

• con+una+guida+si+porta+in+posizione+il+palloncino+che+

viene+ gonfiato+ per+ dilatare+ il+ vaso,+ dopodiché+ il+

palloncino+ viene+ sgonfiato+ e+ rimosso.+ È+ una+

procedura+ poco+ invasiva+ che+ sfrutta+ sonde+

radiopache+ che+ possono+ essere+ guidate+ in+ loco+

attraverso+ l'utilizzo+ di+ strumenti+ radiologici.+

Esistono+ comunque+ complicazioni+ come:+ ristenosi+ 3

PTCA

che+ potrebbe+ portare+ alla+ ripetizione+ della+

procedura,+rottura+della+placca+e+conseguente+formazione+di+trombi+o+rotture+del+vaso.+

Il+vantaggio+è+la+possibilità+di+risolvere+un+problema+senza+operare+o+impiantare+nulla.+

+

impianto3di3stent:+analogamente+all'angioplastica+si+sfrutta+l'espansione++

• di+un+palloncino+per+far+aderire+la+struttura+a+maglia+alla+

stenosi+ dilatando+ così+ il+ vaso,+ il+ palloncino+ viene+

successivamente+ sgonfiato+ e+ rimosso+ lasciando+ in+ sede+

lo+ stent.+ Questa+ procedura,+ a+ differenza+

dell'angioplastica,+ permette+ di+ prevenire+ occlusioni+

gravi,+ha+un+30+^+50%+di+probabilità+in+meno+di+ristenosi+e+ 3

STENT

solitamente+ è+ seguita+ da+ poche+ ripetizioni+ della+

procedura+ di+ rivascolarizzazione.+ Possono+ essere+

impiantati+ in+ arterie+ coronariche,+ biforcazione+

carotidea,+arterie+renali,+femorali+e+possono+anche+

utili+per+contenere+aneurismi.+Recentemente+sono+

stati+ sviluppati+ stent+ a+ rilascio+ di+ farmaci+

antiproliferativi.+ Sono+ entrati+ nella+ pratica+ clinica+

dagli+ anni+ ’80+ ed+ il+ disegno+ serve+ per+ avere+

determinate+proprietà+meccaniche.+ 3

333333Placca33333>>3333333333Stent33333333>>333333Vaso3aperto

Progettazione+di+Protesi+ed+Organi+Artificiali+–+Protesi+Cardiovascolari+ 9+

Bisogna+tenere+presente+quali+sono+le+quantità3d‘interesse+nel+momento+in+cui+si+progettano+le+maglie+di+uno+stent:+

1. biocompatibilità;+

2. le+ proprietà+ meccaniche+ non+ devono+ alterare+ le+ propriètà+ del+ vaso+ irrigidendolo+ o+ modificando+

l’emodinamica+locale.+Deve+resistere+alla+pressione+del+sangue+ed+essere+abbastanza+flessibilie+da+seguire+la+

parete+rimanendo+adeso.++

3. numero,+spessore+e+larghezza+delle+maglie,+

4. rapporto+di+distribuzione+tra+vuoti+e+pieni,+

5. confronto+della+condizione+di+vasodilatazione+a+riposo+o+massima,+

6. cambiamenti+della+geometria+dello+stent+dovuti+all’adattamento,+

7. bisogna+tenere+conto+delle+forze+di+taglio,+delle+velocità+e+delle+zone+di+ricircolo+

+

+

Quando+si+impianta+lo+stent,+questo+deve+coprire+tutta+la+lunghezza+della+placca+perché+se+fosse+della+stessa+misura+e+lo+

stent+si+accorciasse+la+parte+di+placca+scoperta+si+spaccherebbe;+se+la+placca+fosse+lunga,+invece,+si+utilizzazno+due+stent+

in+serie.+

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10+ Progettazione+di+Protesi+ed+Organi+Artificiali+–+Protesi+Cardiovascolari+

+

+

+

Come+anticipato+in+precedenza+il+motivo+più+frequente+di+fallimento,+seppur+in+maniera+contenuta,+è+la+ristenosi+ovvero+

il+restringimento+del+vaso.+Si+possono+anche+verificare+delle+stenosi+interne+allo+stent+favorite+da:+

adesione+di+fibrina,+trombi+alla+struttura+dello+stent;+

• fumo,+disordini+metabolici,+diete+eterogenee,+

• diametri+del+lume+ritdotti,+

• disturbi+del+flusso+all’interno+dello+stent.+

•

+

Un+ ulteriore+ problema+ da+ tenere+ in+ considerazione+ è+ il+ DISACCOPPIAMENTO3 MECCANICO3 STENT>VASO+ perché+ al+

momento+ dell’impianto+ la+ compliance+ al+ centro+ del+ vaso,+ nella+ zona+ dello+ stent,+ potrebbe+ diminuire+ bruscamente+

causando+una+diversa+fluidodinamica+con+ripercussioni+sulle+onde+pressorie.+

Progettazione+di+Protesi+ed+Organi+Artificiali+–+Protesi+Cardiovascolari+ 11+

!

B IOREATTORI'PER'L’INGEGNERIA'TISSUTALE'

E"PER!LA#MEDICINA#RIGENERATIVA!

Prof.ssa+Diana+Massai+ + + mail:+diana.massai@polito.it+

+

Queste+discipline+si+basano+sull’utilizzo+di+cellule,+materiali+e+metodi+ingegneristici,+fattori+chimici+o+fisico3chimici+per+

migliorare+ funzioni+ biologiche+ o+ riparare+ le+ funzionalità+ di+ tessuti.+ Si+ tratta+ di+ strategie+ terapeutiche+ quindi+ volte+ alla+

cura+del+paziente.+Al+momento+attuale+se+un+organo+non+funziona+lo+si+trapianta+con+i+problemi+di+immunoreazione+che+

ne+conseguono.+

Il+ compito+ dell’ingegneria+ dei+ tessuti+ è+ rigenerare+ in+ vitro+ quella+ parte+

malfunzionante+per+poi+impiantarla.+Si+prendono+le+cellule,+si+mettono+su+

uno+ scaffold+ che+ tipicamente+ è+ tridimensionale+ e+ il+ tutto+ si+ pone+ in+ un+

ambiente+di+coltura+in+cui+aderiscono+allo+scaffold+stesso+e+cominciano+a+

proliferare,+cioè+a+riprodursi+col+fine+di+generare+una+parte+particolare+di+

tessuto+ d’interesse.+ Il+ tessuto+ formato+ sarà+ poi+ impiantato+ nella+ zona+

interessata+per+sostituire+quello+nativo.+

Esempio:+ la+ parte+ del+ miocardio+ che+ si+ trasforma+ in+ cicatrice+ dopo+ un+

infarto+ non+ riesce+ più+ a+ contrarsi+ e+ a+ funzionare+ correttamente+

provocando+delle+disfunzioni+nel+tempo+come+ingrossamento+del+cuore+o+

disfunzione+dei+ventricoli.+

+

Le+componenti+utilizzate+solitamente+sono:+

cellule+(autologo,+cellule+staminali,+...)+

• matrici+(scaffold)+porose+e+costituite+da+biomateriali+riassorbibili,+possono+servire+a+regolare+la+funzione+delle+

• cellule+prima+del+loro+impianto+

regolatori+di+diverso+tipo:+

• chimico:+ad+esempio+fattori+di+crescita+

o meccanico:+ad+esempio,+il+carico+meccanico+e+condizioni+di+flusso+in+vitro++

o (bioreattori)+

+

Ingegneria-Dei-Tessuti

+(TE)+→+rigenerazione+in+vitro+

L'obiettivo+dell’ingegneria+dei+tessuti+è+produrre+il+tessuto+pienamente+formato+in+vitro+mediante+inseminazione+di+

cellule+in+una+matrice+in+biomateriale,+e+successivamente+impiantarlo+nel+corpo.+

+

Medicina-Rigenerativa +(RM)+→+rigenerazione+in+vivo+

A+differenza+dell’ingegneria+dei+tessuti,+in+questo+caso,+la+matrice+biocompatibile+è+impiantata+nel+corpo+con+o+senza+

cellule+seminate+per+facilitare+la+rigenerazione+del+tessuto+in+vivo.+

Progettazione+di+Protesi+ed+Organi+Artificiali+3+Bioreattori+ 13+

BIOREATTORI (

Sono+ strumenti+ progettati+ per+ riprodurre+ in+ vitro+ condizioni+ il+ più+ possibile+ simili+ a+ quelle+ fisiologiche+ dei+ tessuti+ nei+

quali+ si+ sviluppano+ processi+ biologici+ e+ biochimici+ in+ condizioni+ strettamente+ controllate+ e+ monitorate+ come,+ ad+

esempio+rimozione+pH,+temperatura,+pressione,+alimentazione+nutrienti+e+scarti.+

Esempio:+la+ricostruzione+del+tessuto+cardiaco+in+vitro+→+le+cellule+del+cuore+sono+continuamente+sottoposte+a+stimoli+

meccanici+ di+ trazione.+ Nel+ cuore+ ci+ sono+ i+ potenziali+ elettrici+ per+ cui+ in+ vitro+ bisogna+ riprodurre+ anche+ il+ passaggio+ di+

questi+in+tutte+le+direzioni.+

+

i+bioreattori+sono+generalmente+utilizzati+in:+

trattamento+delle+acque+reflue,+

• nei+processi+di+fermentazione+industriale,+

• trasformazione+dei+prodotti+alimentari,+

• produzione+di+prodotti+farmaceutici,+

• proliferazione-delle-cellule,-

• ingegneria-dei-tessuti-e-medicina-rigenerativa,-

• -

ed+hanno+due+ruoli+principali:+

1. ingegneria+dei+tessuti+biologici+in+vitro+(ingegneria+tissutale+di+pelle,+tendini,+vasi+sanguigni,+cartilagine,+osso,+...)+

2. fornitura+di+modelli+di+supporto+all’indagine+sulle+funzioni+cellulari+e+di+sviluppo+del+tessuto.+

+

Come+detto+in+precedenza+il+contenuto+del+bioreattore+deve+poter+essere:+

monitorato:+il+dispositivo+deve+permettere+di+misurare+alcuni+parametri+fondamentali+al+processo+di+crescita+-

• quali+il+pH,+la+temperatura,+la+pressione+parziale+dell’ossigeno+ecc.,+per+questo+richiede+sensori+di+

monitoring;+

controllato:+tramite+un+computer+sono+rilevati+i+parametri+e+si+decide+se+sono+corretti,+in+caso+negativo+deve+-

• essere+possibile+riportarli+ai+valori+corretti+(anche+con+feedback+in+tempo+reale).+

Un+bioreattore+ottimale+è+dotato+di+entrambi+i+sistemi+descritti+sopra.+

In+aggiunta+alle+2+caratteristiche+sopra+elencate,+un+bioreattore+deve+essere+in+grado+di:+

fornire-di-stimoli+(chimico,+meccanico,+sforzo+di+taglio,+elettrico,+...),+

• automazione-completa.-

•

+

Controllando+specifici+parametri+fisico3chimici+della+cultura+a+livelli+definiti,+un+bioreattore+fornisce+i+mezzi+tecnologici+

per+ eseguire+ studi+ controllati+ finalizzati+ alla+ comprensione+ di+ specifici+ effetti+ biologici,+ chimici,+ fisici+ sulle+ funzioni+

cellulari+di+base+in+una+disposizione+spaziale+3D.+

I+bioreattori+evitano+con+successo+la+mancanza+di+precisione+dei+tradizionali+metodi+manuali+e+permettono+la+ripetibilità+

quando+si+guida+lo+sviluppo+di+costrutti+efficaci,+strutturalmente+omogenei+e+funzionalmente+ingegnerizzati.+

+

14+ Progettazione+di+Protesi+ed+Organi+Artificiali+3+Bioreattori+

Come+tutti+i+dispositivi+in+circolazione,+anche+i+bioreattori+devono+superare+i+controlli- di- qualità+non+solo+per+le+loro+

funzionalità+ma+anche+per+i+materiali+con+cui+sono+progettati.+Più+un+processo+di+produzione+è+automatizzato,+maggiore+

sarà+la+ripetibilit