Biomateriali e Materiali Sint. Biocompatibili – PDF

2 marzo 2021 BIOMATERIALI E MATERIALI SINTETICI BIOCOMPATIBILI – mod B Studio biologico dei biomateriali Nello studio dei biomateriali è sempre stato molto importante lo studio in vivo, solo dagli anni ’60 il benessere animale è diventato un requisito fondamentale nella programmazione sperimental...

2 marzo 2021 BIOMATERIALI E MATERIALI SINTETICI BIOCOMPATIBILI – mod B Studio biologico dei biomateriali Nello studio dei biomateriali è sempre stato molto importante lo studio in vivo, solo dagli anni ’60 il benessere animale è diventato un requisito fondamentale nella programmazione sperimentale. In questi anni, in particolare Charles Hume, sviluppa il concetto delle “Three Rs” - replacement - reduction - refinement Questo si riferisce a tutti i protocolli che utilizzano animali sperimentali, sono norme atte a tutelare il benessere degli animali usati a scopi scientifici. Diversi sono gli enti e le commissioni che si occupano di garantire il benessere animale come per esempio : o ECVAM= European Commission for the Validation of Alternative Methods, JRC, Ispra, Italy o FRAME= Fund for the Replacement of Animals in Medical Experiments, Nottingham, UK o ZEBET = Center for Documentation and Evaluation of Alternative Methods to Animal Experiments, Berlin, Germany o CAAT = Johns Hopkins Center for Alternatives to Animal testing, Baltimore, MD, USA o ERGATT = European Research Group for Alternatives in Toxicity Testing Tutte queste organizzazioni si occupano di benessere animale, che si occupano di validazione di metodi alternativi alle sperimentazioni in vivo, anche la validazione di un sistema alternativo deve essere fatta in modo tale da esserci un dato utilizzabile, realistico rispetto all’aspettativa. Tutto questo movimento rispetto all’attenzione per il benessere degli animali utilizzati a fini scientifici è stato poi regolamentato da una legge, la prima del 1992, ovvero la legge n.116, che va a recepire questa direttiva comunitaria 86/609/CEE, e che dopo circa 18 anni è stata revisionata con una nuova direttiva della comunità europea nel 2010: questa direttiva è stata poi recepita in Italia nel 2014, con questo decreto legislativo del 4 marzo n.26, che appunto è l’attuazione della direttiva che in Europa 4 anni prima, quindi la nostra burocrazia ha fatto sì che una direttiva europea sia stata recepita dal nostro paese con 4 anni di ritardo, e per di più è stata recepita anche in modo altamente stringente; già di fatto questa direttiva andava un po’ a restringere il campo delle sperimentazioni su modelli animali, con questa direttiva Italiana siamo andati ancora più a restringere, tant’è che dopo c’è stato anche bisogno di andare a revisionare alcuni progetti, finanziati dalla comunità europea, ma non più attuabili a causa della legge stringente che si era andata a decretare in Italia. Un altro ente che parlando di biomateriali bisogna conoscere sono le ISO (international organisation for standardization), che con i diversi gruppi di lavoro hanno costruito delle norme da seguire per testare la biocompatibilità e la biosicurezza di quelli che sono i dispositivi medici prima di arrivare ad un utilizzo clinico. Queste ISO raccolgono sia procedure sperimentali in vitro che procedure sperimentali in vivo; Sono (elencati i diversi capitoli della ISO 10993, che riguarda la valutazione biologica di un dispositivo medico, con tutti i suoi capitoli di identificazione.  Vediamo che ci sono alcuni capitoli che si occupano di come eseguire i test, altri che si occupano di garantire il benessere animale nell’esecuzione di questi test (cap.2), identificare (cap.12- 15) i prodotti della degradazione, quindi per un’eventuale tossicità o nanotossicità dei biomateriali utilizzati; queste sono una serie di norme che l’anzienda, prima di poter mettere sul mercato un certo prodotto, deve soddisfare. Per quanto riguarda però i prodotti, i biomateriali e i dispositivi medici che tratteremo noi useremo un approccio più innovativo, andremo a parlare di biomateriali di cui la maggior parte sono ancora nei laboratori in fase di sperimentazione e non sono ancora presenti sul mercato, quindi parleremo sia di biomateriali già applicati in clinica ma anche di biomateriali innovativi che sono soltanto in fase di studio. Prima di andare su una sperimentazione in vivo abbiamo una serie di fasi preliminari che possono essere espletate in vitro:  in vitro  colture cellulari (le cellule trasformate possono essere di diverso tipo, possono essere cellule differenziate primarie, cellule a potenzialità staminale, cellule di linea, quindi cellule trasformate e immortalizzate). Per valutare il comportamento di una coltura cellulare all’interfaccia (o ancora prima di andare in vivo su una particolare superficie) posso fare : - Microscopia elettronica a scansione SEM : fascio elettronico non penetra all’interno del campione biologico, i campioni vengono trattati per metallizzazione superficiale, e poi il fascio elettronico che colpisce le superficie viene raccolto da un detector. - Microscopia elettronica a trasmissione TEM : è necessario produrre delle sezioni ultrafini in cui il fascio elettronico penetra e riesce ad analizzare, riproducendo un immagine in bianco e nero, le diverse densità cellulari e le diverse strutture che compongono la cellula, andando quindi a creare un’immagine dell’ultrastruttura. - Analisi dei markers molecolari : analisi di una proteina o di un trascritto e la sua quantificazione)  in vivo  usiamo strumenti diversi, sicuramente alla base di una qualsiasi sperimentazione in vivo abbiamo quella che è l’analisi istologica, che può essere fatta in modi diversi: - Analisi dei marcatori ossei vitali : sostanze che si legano in modo specifico al tessuto osseo e hanno la capacità di emettere fluorescenza. - Microscopia a luce polarizzata : tecnica di microscopia ottica che permette di osservare la struttura dei cristalli e delle strutture altamente ripetute anisotrope (cristalli di idrossiapatite associati alle fibre collagene), la microscopia a luce polarizzata è una tecnica inizialmente usata in mineralogia per studiare i cristalli, e poi con il trattamento particolare dell’osso decalcificato è stata applicata anche allo studio del tessuto osseo all’interfaccia.  - Istofotometria statica e dinamica : si parte dall’analisi istologica, ma si va a misurare un processo, come la deposizione di osso, di connettivo fibroso o la velocità di deposizione, li vado a misurare in modo quantitativo con strumenti che sono operatore-indipendenti, e quindi questo rende molto interessate questa metodologia perché permette di avere una quantificazione di un processo da eventualmente comparare in diverse condizioni con diversi materiali. - Analisi markers molecolari : si parte da una matrice diversa, ma da qualsiasi matrice con le opportune attenzioni può essere fatta un’indagine di tipo molecolare. - Tutto il campo delle scienze omiche, che ultimamente ha preso largo impiego, quindi con le tecnologie di proteomica e trascrittomica : sono tecnologie distruttive che necessitano di omogenare il campione di partenza, quindi queste metodologie sono estremamente informatice ma hanno lo svantaggio di andare a perdere la localizzazione tissutale dell’evento che andiamo a svelare. Cenni storici dei biomateriali Nonostante l'impiantologia come scienza sia come tempo storico da considerarsi recente e altresì vero che essa affonda le proprie origini in epoca remotissima. Reperti archeologici dimostrano che i Fenici legavano i denti artificiali a quelli naturali con fili d'oro per poter permettere alla persona nel culto dei morti di avere un bell’aspetto. Gli egizi utilizzavano materiali diversi per la costruzione di protesi, e di epoca egizia è la prima protesi funzionale giunta fino a noi, si tratta del primo dito del piede di una donna che è stato datato tra il 1000 e 600 a.C; la protesi soprannominata Cairo Toe è costituita da legno e pelle ed è assemblata in modo da potersi piegare e sia la forma che segni di usura suggeriscono che aiutasse la sua padrona a camminare e quindi considerata la prima protesi funzionale. Questo ritrovamento suggerisce che gli egizi avessero Questo ritrovamento suggerisce che gli egizi avessero conoscenze di anatomia e meccanica conoscenze di anatomia e meccanica sorprendentemente avanzate per l'epoca. sorprendentemente avanzate per l'epoca. Relativamente all'impiantologia orale (in particolare, all’impiantologia endossea) il primo reperto osteo- integrato a noi giunto risale all'epoca dei Maya; si tratta di un frammento mandibolare con tre impianti confezionati con valve di conchiglia che sostituivano tre incisivi mancanti databile all'incirca nell'ottavo secolo dopo Cristo che le archeologo W. Popenoe trovò nel 1931 nel corso di alcuni scavi archeologici compiuti nella Playa de los muertos in Honduras. Secondo gli studi effettuati nel 1970 odontostomatologo (Amedeo Bobbio) brasiliano di origine italiana dimostrò che le tre conchiglie non erano state inserite nei rispettivi alveoli dopo il decesso, ma in vita. Infatti, praticando l'esame radiografico al reperto archeologico notò che, intorno alle conchiglie, si era formata una vera e propria osteointegrazione, dovuta sicuramente alla grande quantità di fosfato di calcio contenuta nel guscio (conchiglia). Questo ritrovamento rappresenta una tappa fondamentale della storia dei materiali in quanto rappresenta il primo impianto osteointegrato a noi rivenuto. La prima definizione di Biomateriale è stata proposta nel 1974 al 6° Simposio Internazionale di biomateriali; questa definiva il biomateriale come una sostanza inerte, sia dal punto di vista farmacologico che nei confronti dell’organismo, che non va a stimolare una risposta specifica, progettata per essere incorporata o impiantata all’interno di un sistema vivente. Negli anni si sono susseguite nuove definizioni, e il concetto di biomateriale è radicalmente mutato : ad oggi il biomateriale viene concepito come un materiale attivo, ovvero un materiale concepito per interfacciarsi, e in certi casi interagire, con i sistemi biologici, per valutare, dare supporto o sostituire un qualsiasi tessuto, organo o funzione del corpo. Dispositivo medico = è l’utilizzo di un biomateriale impiegato nella sua forma finale, dunque un qualsiasi strumento, apparato, macchina, invenzione, o altro oggetto similare, compreso ciascun componente, ciascuna sua parte e ciascun accessorio per il quale è previsto l’uso in medicina [così come definito dalle Direttiva 93/42/CEE , Direttiva 90/385 e succ. modifiche (2007/47/CE)] Es. un biomateriale può essere titanio arricchito con un particolare peptide; finché questo biomateriale rimane in laboratorio per essere testato non è un dispositivo medico; un dispositivo medico può essere una vite dentale, una protesi dell’anca, un catetare (quindi anche temporaneo). Quindi un dispositivo medico può essere un qualunque strumento, apparecchio, impianto, software, sostanza o altro prodotto, utilizzato da solo o in combinazione, compreso il software destinato dal fabbricante ad essere impiegato specificamente con finalità diagnostiche e/o terapeutiche e necessario al corretto funzionamento del dispositivo, destinato dal fabbricante ad essere impiegato sull’uomo a fini di: - diagnosi, prevenzione, controllo, terapia o attenuazione di una malattia; - diagnosi, controllo, terapia, attenuazione o compensazione di una ferita o di un handicap; - studio, sostituzione o modifica dell'anatomia o di un processo biologico; - intervento sul concepimento I dispositivi medici possono essere classificati in base alla loro destinazione d' uso, la durata di utilizzo, la modalità di funzionamento oppure l'organo in cui il dispositivo esercita la sua funzione. La classificazione viene fatta quindi sulla base della : 1- Destinazione d’uso 2- Durata di utilizzo 3- Modalità di funzionamento 4- Organo in cui dispositivo esercita la sua funzione Quando un biomateriale viene impiantato nell’organismo, questo non dà un effetto univoco, il materiale ha degli effetti sulla sede di impianto, ma viene anche a sua volta attaccato dall’organismo. I biomateriali e i dispositivi medici possono essere applicati su una varietà incredibile di tessuti e organi. Classificazione dei materiali La classificazione dei biomateriali verrà affrontata secondo diverse modalità di classificazione 1. Classificazione in base agli effetti prodotti sul materiale L’interazione dei biomateriali con l’organismo è un processo biunivoco: ogni materiale impiantato provoca una reazione da parte dell’organismo, e allo stesso tempo subisce un attacco da parte dell’organismo. In base agli effetti prodotti dall’ambiente biologico sul materiale impiantato, i biomateriale possono essere definiti : - Biostabili = materiali in grado di resistere all’azione di modifica da parte dell’ambiente biologico con cui sono in stretto contatto - Biodegradabili = materiali che subiscono una progressiva demolizione e trasformazione chimica in conseguenza di specifiche azioni da parte dell’organismo (es. alcuni polimeri, alcuni metalli e leghe, che subiscono corrosione superficiale e rilasciano ioni) 2a. Classificazione in base alla reazione dell’organismo In base all’interazione tra il materiale e l’organismo è possibile distinguere i materiali in : - Bioinerti = materiali che non portano a fenomeni di incompatibilità (ma non si ha nemmeno legame materiale- tessuto) (es. ossidi di titanio, titanio, alluminio, zirconio); in realtà nessun materiale è del tutto inerte, c’è sempre una sua modificazione. - Biotossici = materiali che provocano una reazione indesiderata da parte del tessuto biologico (es. alcuni polimeri, leghe a base di nichel, cadmio e vanadio); hanno una tossicità che può essere locale e/o sistemica - Bioattivi = il loro impianto nell’organismo va a stimolare una specifica attività biologica che porta alla formazione di interazioni dirette e specifiche tra il tessuto biologico e l’organismo che lo ospita ( nel caso dell’osso si parla di osteointegrazione/biointegrazione, si ha la crescita direttamente sulla superficie del biomateriale di nuovo osso, quindi si tratta di un’osteogenesi che parte direttamente dalla superficie del biomateriale) (es. idrossiapatite, biovetro) - Bioriassorbibili = materiali che all’interno del tessuto biologico subiscono una progressiva degradazione, senza che però induca effetti indesiderati o reazioni tossiche; la degradazione è imputabile a fenomeni fisiologici, come la degradazione enzimatica, la fagocitosi o la dissoluzione fisica dovuta ai liquidi (es. policaprolattone, polivinilpirrolidone, ceramiche contenenti fosfato di calcio) N.B: queste classificazioni NON si escludono vicendevolmente, i materiali possono essere co-presenti in una o più categorie. 2b. Classificazione in base alla reazione dell’organismo del 1991 Rimanendo sempre nell’ambito della suddivisione dei biomateriali in base all’interazione tra materiale e organismo, prendiamo in considerazione la suddivisione di Furlong e Osborn (1991) che divide i materiali in base al livello di biocompatibilità, è un lavoro che fa riferimento a materiali specifici di interazione con il tessuto osseo : - Biotolleranti = quando tra osso e impianto si interpone tessuto connettivo fibroso (es. acciaio chirurgico, lega CoCrMo) - Bioinerti = quando tra osso e impianto vi è contatto diretto, o comunque forte avvicinamento tra osso e materiale (es. titanio) - Bioattivi = quando tra osso e impianto è presente una connessione mediata da legami chimico-fisici (es, ceramiche HA, ceramica TPC, biovetro) - Biomimetici = classe di biomateriali concepiti dai ricercatori per avere una struttura il più simile possibile a quella del tessuto nativo, stimolare così una specifica risposta biotissutale 3. Classificazione in base alla natura chimica dei biomateriali Una classificazione del tutto generale dei materiali, si basa sulla loro diversa natura chimica. In base alla natura chimica possiamo suddividere i materiali in : o Metallici  ferrosi  non ferrosi o Non metallici  organici - polimeri - altri  inorganici - ceramiche - vetri - altri Soprattutto nel campo dei nanomateriali, che sono materiali composti da componenti di diversa natura chimica, si può avere un’ulteriore classificazione: o organici o inorganici o ibridi Materiali polimerici In basi a diverse caratteristiche come la struttura del monomero di partenza e la lavorazione possiamo ottenere polimeri con caratteristiche diverse e quindi diverse applicazioni. I polimeri possono essere prodotti con caratteristiche morfologiche e finalità diverse : microsfere, fibre, tessuti, pellicole. I materiali polimerici sono classicamente suddivisi in : - Degradabili = possono essere usati per la costruzione degli scaffold - Non degradabili = sono quelli che a contatto con l’organismo, anche per lunghi periodi di tempo, rimangono inalterati o UHMWPE : Polietilene ad altissimo peso molecolare (ultra high molecular weight) utilizzato in applicazioni ortopediche (articolazioni, protesi d’anca completa), protesi d’anca per il rivestimento o protesi di tipo articolare. o PMMA : Polymethylmethacrylate Polimetilmetacrilato che fa parte dei poliacrilati, fatto polimerizzare in situ come cemento osseo o impiegato per lenti a contatto. o PTFE : Polytetrafluoroethylene, generalmente conosciuto come TeflonTM, trova applicazioni come supporto vascolare. o PET : Polyethyleneterephtalate, conosciuto con il marchio registrato di Dacron, è utilizzato come supporto vascolare. Numerosi polimeri vengono attualmente impiegati nei dispositivi medici. I campi in cui trovano maggiore applicazione sono il controllo (contatto) del flusso sanguigno e di altri fluidi corporei (cateteri, cannule, drenaggi, ecc.), le superfici articolari nelle protesi ortopediche, lenti a contatto ed intraoculari, membrane per la somministrazione di farmaci, rivestimenti per sensori e dispositivi elettronici impiantabili, rigenerazione tessutale, riempimento di cavità, valvole cardiache, protesi vascolari, organi bioartificiali (dispositivi medici in cui si ha combinazione di materiali sintetici e di cellule o tessuti viventi). In base alle strutture molecolari dei monomeri, alle reazioni di polimerizzazione, e delle tecnologie di lavorazione, otteniamo dei polimeri che hanno proprietà finali diverse e che vanno a influenzare le prestazioni finali. I materiali polimerici sono lavorabili, quindi sono facili da ottenere con diverse forme: microsfere, fibre, tessuti, pellicole; una delle loro applicazioni è quella delle suture, che possono essere di tipo erodibile o non erodibile, oppure come utilizzo in tendini. Polimetilmetacrilato (cemento osseo) L’impiego primario è quello di sostanza di riempimento degli spazi tra protesi ed osso, con lo scopo di migliorare la distribuzione degli sforzi trasmessi durante il carico e di assorbire gli urti; un secondo scopo nell’uso del cemento è quello di ridurre il dolore dovuto ai micromovimenti relativi tra protesi ed osso, oppure per andare a lavorare come sostanza di riempimento nel caso di microfratture dei corpi vertebrali, o per andare a risolvere dei problemi di rigenerazione ossea (alleviare il dolore dando maggior rigidità all’osso). Il cemento per ossa di uso commerciale viene fornito di una confezione che comprende un componente solido e uno liquido, quindi è un bicomponente. Il cemento deve essere fatto sul momento, durante l’operazione chirurgica: - viene ottenuto per polimerizzazione radicalica del monomero del metil-meta-acrilato (MMA) un composto sotto forma di polvere, utilizzando il perossido di benzoile (in forma liquida) come iniziatore radicalico. Vengono aggiunte poi altre sostanze come : - il polibutilmetacrilato (PBMA), che serve a dare maggiore consistenza, migliora le proprietà meccaniche complessive del cemento; - l’ossido di zirconio e il solfato di bario, aggiunti per rendere il materiale radiopaco, in modo da poter vedere il cemento attraverso le radiografie (altrimenti il cemento risulterebbe trasparente). Il polimetilmetacrilato presenta diverse problematiche : o Tossicità intrinseca = tutte le componenti del cemento possiedono un certo grado di tossicità, soprattutto l’MMA; o Esotermia = Il processo di polimerizzazione provoca un aumento di temperatura nei tessuti circostanti; può causare un certo grado di necrosi all’interfaccia; La reazione di polimerizzazione è una reazione esotermica quindi il processo di polimerizzazione provoca un aumento di temperatura nei tessuti circostanti che può causare un certo grado di necrosi all’interfaccia. o Ritiro Volumetrico = per cui si possono creare dei microspazi tra l’osso e la protesi. o Porosità nel materiale che si formano durante la fase di mescolamento = si può creare un certo grado di porosità nel materiale, che si vanno a formare nella fase di  mescolamento e quindi in sede di chirurgica in base alla velocità di mescolamento del mezzo, si possono andare a formare dei micropori Materiali metallici I materiali metallici sono di natura inorganica, hanno struttura cristallina e generalmente possiedono ottime caratteristiche meccaniche. Generalmente l’utilizzo di alcuni materiali metallici pone problemi di biocompatibilità legati (che dipendono principalmente dalla corrosione e cessione di ioni in ambiente salino) alla corrosione e/o alla cessione di ioni. I materiali metallici sono i più impiegati per la realizzazione di mezzi di osteosintesi e di protesi d’anca, nonché per applicazioni odontoiatriche. o Acciaio inossidabile = il più utilizzato è il tipo 316L; le sue caratteristiche meccaniche gli consentono di sostenere carichi pesanti, viene quindi usato per placche, chiodi, protesi d’anca. Risulta però molto sensibile alla corrosione in ambiente salino; ulteriore fattore limitante il suo impiego è il modulo di elasticità, (più elevato rispetto agli altri metalli che induce il fenomeno di stress shielding, caratterizzato da un marcato riassorbimento osseo, dovuto alla trasmissione dei carichi all’interfaccia tra biomateriale-osso, non corretta e non compatibile con quello che il modulo elastico dell’osso. Tuttavia, visto il costo ridotto, è spesso impiegato in chirurgia veterinaria o Leghe di cobalto = queste leghe sono dotate di uno scarso potere di scorrimento superficiale, possono essere rivestite con altri materiali. Passando alle leghe di cobalto ci ricordiamo che queste hanno uno scarso potere di scorrimento superficiale e possono essere rivestite con altri materiali, nel caso in cui vengano utilizzate nelle protesi. Viene usato per steli, testine, gusci aetabolari (anche se oggi non è più tanto usato, oppure viene usato ma solo rivestito con altri materiali) - cobalto-cromo-mobildeno (Co-Cr-Mo) - cobalto-cromo-nichel-mobildeno (Co-Cr-Ni-Mo) o Titanio e le sue leghe = il più usato, usato per mezzi di osteosintesi e protesi ortopediche; le principali caratteristiche che distinguono il titanio e le sue leghe dagli altri metalli, sono che questo ha un basso modulo di elasticità, quindi molto più vicino a quello del tessuto osseo, e che lo rende responsabile di un minor stress shielding sull’osso e la sua elevata biocompatibilità dal punto di vista meccanico. Inoltre, mostra un’ elevata biocompatibilità dal punto di vista biologico, grazie alla sua passivazione di ossidi in superfici. Utilizzato sia per mezzi di osteosintesi sia per la produzione di protesi ortopediche. Il principale limite rappresentato dal titanio è la sua suscettibilità alla corrosione che viene a crearsi solo per sfregamento, quindi dove ci sono delle superfici che vengono a deteriorarsi. Riassumendo, i principali vantaggi e svantaggi nell’utilizzo dei materiali metallici sono: Vantaggi  Elevate caratteristiche meccaniche  Elevata resistenza alla fatica  Duttilità Svantaggi  Scarsa biocompatibilità  Stress Shielding  Corrosione in ambiente fisiologico Materiali ceramici Come i materiali metallici anche i materiali ceramici sono di natura inorganica , ma differiscono dai metalli per il tipo di legame che li caratterizza. Sono infatti costituiti dalla combinazione chimica di elementi metallici e non metallici legati tra loro tramite legami di tipo covalente e/o ionico. - Ceramiche bioinerti = ossidi di alluminio, ossidi di titanio, zirconio ; queste ceramiche sono definite bioinerti perché a contatto con il tessuto osseo provocano la formazione di una capsula fibrosa, che comporta uno scarso ancoraggio del tessuto osseo con il dispositivo. L’allumina e la zirconia vengono impiegati nella fabbricazione delle protesi d’anca, vista la loro resistenza alla frizione e all’abrasione; inoltre costituiscono materiali di scelta per la realizzazione di coperture di una o di entrambe le superfici articolari di protesi realizzate con altri materiali. - Ceramiche bioattive e vetroceramiche = biovetro, idrossiapatite, ceramiche TCP (tricalcio-fosfato); Le principali caratteristiche delle ceramiche bioattive sono date dal loro coinvolgimento nei processi metabolici dell’organismo, e dall’integrazione tra il biomateriale e il tessuto. Le superfici delle ceramiche bioattive a contatto con l’ambiente biologico si ricoprono di uno strato formato da microcristalli di Ha (idrossiapatite) e piccole quantità di gruppi carbonato; che sono responsabili della risposta dell’organismo e della bioattività che queste stimolano nel tessuto osseo. Queste ceramiche sono utilizzate in forma porosa, non porosa o granulare; e sono impiegate principalmente per la ricostruzione di tessuto osseo ma possono essere utilizzate per la produzione di protesi articolari e come rivestimenti. Questi cristalli risultano strutturalmente e chimicamente identici alla parte minerale dell’osso naturale e pertanto generano forti legami con i tessuti circostanti. Possono presentarsi in forma granulare (rialzo di seno mascellare), possono colmare delle carenze ossee senza vere una preformazione; possono essere adoperati nella costruzione di scaffold, che presentano una certa rigidità e una porosità controllata in fase di produzione (per permettere la corretta colonizzazione delle cellule); possono costituire il rivestimento degli acetaboli nelle protesi d’anca (cristallinità più elevata, non è degradabile in tempi lunghi, maggiore resistenza allo sfregamento). Biovetri Appartengono alla classe dei materiali ceramici. I biovetri sono in grado di instaurare un rapporto molto stretto con le fibre di collagene presenti nell’ECM del tessuto osseo, e indurre la mineralizzazione di queste ultime con attivazione di cellule osteoblastiche e la fornitura di sostanze minerali (in particolare con la fornitura Sali di calcio e fosforo). Dopo l’inserimento dell’impianto, si forma uno strato di gel ricco di silicio alla superficie del materiale, nella cui parte superiore si deposita uno strato ricco di calcio e fosfati provenienti dal calcio e dal fosforo costituenti del biovetro e dell’organismo. Questo strato è lo strato biattivo, ed è in effetti apatite idrossicarbonata che funge da superficie attiva di legame, chimicamente e strutturalmente identica alla sostanza minerale dell’osso minerale. Gli strati superficiali attivi si sviluppano in pochi minuti dall’inserimento in vivo del materiale. Le cellule osteogeniche e le fibre collagene dei tessuti colonizzano la superficie bioattiva, incorporandosi nello strato di gel di silicio e iniziando la produzione di tessuto osseo. Il risultato delle reazioni che si sviluppano quando il biovetro è messo a contatto con il tessuto osseo è la rapida stimolazione della ricrescita dell’osso naturale, che sostituisce in tempi brevi il materiale artificiale che fornisce inoltre l’impalcatura meccanica entro cui l’osso naturale ricresce. Si dice per questo motivo, che il biovetro ha caratteristiche di : - osteoproduzione = la loro superficie sostiene la produzione di nuovo osso durante il processo di riassorbimento che questi subiscono in vivo, seppur lento, questi - osteoconduzione = materiali fungono da scaffold in cui si formerà nuovo osso (biovetro si riduce, spostandosi “trascina” con sé l’osso che si sta formando Vantaggi  Elevata biocompatibilità  Elevata resistenza alla compressione  Resistenza alla corrosione Svantaggi  Scarsa resistenza alla transizione  Fragilità  Scarsa lavorabilità  Elevati costi di lavorazione I materiali ceramici si caratterizzano per l’elevata durezza che consente un coefficiente di attrito molto basso sia per le proprietà legate all’usura delle superfici, migliori rispetto ad altre classi di biomateriali. I materiali ceramici sono considerati i più biocompatibili tra i materiali impiantabili. Tuttavia i materiali ceramici possiedono delle caratteristiche svantaggiose, come la fragilità intrinseca, che associata alla durezza ne limita il loro impiego nella costruzione di componenti meccanici.La duttilità quasi del tutto assente, ne limita la sua manipolazione in sede chirurgica. Utilizzati per la loro durezza resistenza allo sfregamento come superfici articolari. Oppure come superficie in contatto con il tessuto osseo Materiali compositi Sono costituiti dalla combinazione di due o più materiali tra loro non solubili; pertanto all’interno di un materiale composito è sempre presente un’interfaccia tra i diversi componenti. Questo permette di sfruttare al meglio le caratteristiche dei singoli componenti, la cui combinazione permette di ottenere prestazioni non raggiungibili con i singoli materiali costituenti. La progettazione dei materiali compositi è finalizzata ad ottenere una maggiore biofunzionalità, ad esempio, producendo biomateriali con caratteristiche fisico-meccaniche paragonabili a quelle del tessuto osseo. La biocompatibilità dei compositi è in relazione alla compatibilità dei singoli componenti. Dal punto di vista meccanico, in tutti i composti ad uso ortopedico, la biocompatibiltà viene migliorata con la riduzione dello stress shiering, permettendo un miglior processo di rimodellamento durante la guarigione. La produzione e l’applicazione dei materiali compositi è in continua evoluzione;mezzi di osteosintesi, protesi articolari e tendinee. - Materiali metallici rivestite con ceramiche = capacità meccaniche + biocompatiblità - Materiali rinforzati con fibre Vantaggi  Buona biocompatibilità  Resistenza alla corrosione  Elevata resistenza alla compressione Svantaggi  Scarsa coesione tra i componenti  Scarsa lavorabilità Materiali di derivazione biologica - Biomateriali naturali = abbiamo biocoralli, osso deantigenato (rimane l’impalcatura inorganica dell’osso, viene usato come scaffold e riempitivo, usato per le protesi ortodontiche), matrice ossea demineralizzata (rimane solo la parte organica, quindi fibre e proteine), osso liofilizzato (osso deantigenato portato in forma liofilizzata), collagene. - Biomateriali per ingegneria tissutale = combinazioni di materiali che vengono ingegerizzati, possono essere BMP e TGF-beta (messi negli scaffold per ottenere risposte biologiche), acido ialuronico, collagene Vengono principalmente impiegati negli scaffols per ingegneria tissutale e riempitivi in caso di asportazioni ossee e trapianti. Applicabilità dei biomateriali Un biomateriale ha due livelli di biocompatibilità : - biocompatibilità biologica, dal punto di vista tissutale, con il tessuto circostante - biocompatibilità meccanica La prima deve sempre essere accompagnata dalla seconda L’esito di un impianto è determinato d auna serie di eventi che si svolgono all’interfaccia, è qui che avvengono i pathway molecolari che determinano la buona riuscita dell’inserimento dell’impianto. Per gli impianti endossei lo stabilirsi di una sicura associazione tra la superficie implantare e il tessuto biologico è fondamentale per il successo clinico dell’impianto. L’esito di un impianto è influenzato in modo significativo dalle prime interazioni che si stabiliscono tra il materiale impiantato ed il tessuto; quindi in questa visione, lo stabilirsi di una fissazione primaria è una condizione necessaria affinché si possano stabilire rapporti interfacciali idonei, che sono garanzia della promozione di una fissazione secondaria responsabile della duratura nel tempo dell’impianto. il determinarsi di una stabile fissazione primaria è condizione necessaria affinché si possano stabilire rapporti interfacciali idonei, che sono garanzia della promozione di una fissazione secondaria duratura nel tempo - Osteointegrazione = quei processi che culminano in una connessione strutturale e funzionale diretta tra il tessuto osseo e la superficie implantare. - Biointegrazione = integrazione dell’impianto dal punto di vista funzionale nella sede in cui questo viene impiantato (ampliamento del concetto di osteointegrazione derivato dallo sviluppo di materiali sempre più innovativi) 4. Classificazione in base alle generazioni Quando si analizza l’evoluzione della ricerca di biomateriali e la loro disponibilità clinica negli ultimi 60 anni, vengono facilmente delineate tre diverse generazioni (quindi in base al processo di sviluppo): - Prima generazione = (1969-1980): materiali bioinerti, Leghe di Titanio, Acciai Inossidabili, Leghe cromo/cobalto Alluminia (Al2O3), Zirconio, Polistirene, polimetilmetacrilato, poliammide, poliestere, polietilene - Seconda generazione = (1980 - 2000): materiali bioattivi, Modifiche superficiali dei metalli Ceramiche bioattive; biovetri; calcio fosfati,Chitosano, PHEMA, PEG e l’acido ialuronico - Terza generazione = (2000-oggi): materiali bioattivi e biodegradabili, Scaffold compositi con materiali di derivazione biologica