biomateriale
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Descrizione generale
sm. [da bio-+materiale]. Sostanza di origine naturale o sintetica che può essere impiegata in applicazioni biomediche. La ricerca di biomateriale interessa il progetto, la produzione e la caratterizzazione di tali materiali. Per la caratterizzazione è possibile, in generale, l'utilizzazione di metodiche e tecniche tradizionali, integrate però anche da una caratterizzazione biologica, da effettuarsi in vivo e in vitro, in modo da verificare se un dato materiale, che possiede già tutte le proprietà chimico-fisiche e meccaniche desiderate, possa essere impiegato senza pericolo in applicazioni biomediche. Tale proprietà, detta biocompatibilità, riguarda l'analisi delle caratteristiche dell'interazione fra il biomateriale e l'organismo vivente in cui esso deve essere inserito. In particolare, da un punto di vista tecnologico, un biomateriale ideale dovrebbe possedere: una buona stabilità chimica, non dovrebbe dare luogo a fenomeni tossici e cancerogeni né provocare fenomeni di rigetto (che sono comunque molto minori, nel caso di materiali artificiali, rispetto a quelli che si verificano nei trapianti di organo). Una particolare attenzione deve, inoltre, essere rivolta alle sue proprietà elettriche, principalmente nel caso in cui il biomateriale debba trovarsi a contatto con il sangue, al fine di evitare l'innesco di possibili fenomeni di coagulazione. Infine dovrebbe presentare anche buone caratteristiche di resistenza meccanica e alla corrosione, una densità tale da consentire di mantenere il peso dei dispositivi in cui esso viene utilizzato entro limiti accettabili e la caratteristica di potere essere ripetutamente sterilizzato senza degrado. Lo sviluppo dei biomateriali ha seguito sostanzialmente quattro vie, spesso collegate fra loro: a) Materiali artificiali sia mutuati da altre applicazioni che appositamente progettati, in modo da renderli più adatti alle condizioni in cui si troveranno a operare; b) Materiali di origine biologica, tipicamente di origine animale, che oltre a essere impiegati per trapianti di tessuti e organi, possono anche essere utilizzati come materiali per protesi dopo essere stati opportunamente trattati. La differenza delle due applicazioni consiste nel fatto che, nel caso dei trapianti; il biomateriale deve essere mantenuto in condizioni vitali, mentre nel secondo caso esso deve essere sottoposto a una serie di trattamenti; c) Rigenerazione per "via naturale", su supporto artificiale del tessuto danneggiato. In questo ultimo caso, se il biomateriale di supporto risulta essere biodegrabile, il risultato finale è quello di avere una parte perfettamente ricostruita senza nessuna traccia del materiale utilizzato; d) Materiali sintetici "identici" a quelli naturali.
Materiali artificiali
Fino a qualche anno fa, la scelta di un materiale per organi artificiali o protesi veniva effettuata caratterizzando il materiale biologico dal punto di vista delle sue principali proprietà e utilizzazioni e, successivamente, scegliendo il materiale tradizionale con proprietà simili o migliori. In tale ambito sono stati selezionati tutta una serie di materiali caratterizzati da un'elevata biocompatibilità e proprietà meccaniche a volte addirittura superiori a quelle dei materiali biologici da sostituire. Allo stato attuale i più comuni materiali artificiali sono costituiti da metalli, materiali ceramici e polimeri. I materiali metallici sono fra quelli di utilizzazione più antica, in quanto le loro caratteristiche consentono di realizzare un soddisfacente compromesso fra prestazioni meccaniche, lavorabilità, resistenza all'ambiente e costi di realizzazione. La loro utilizzazione più tipica si è avuta e si ha nelle applicazioni ortopediche, in cui il materiale ha il compito di sostituire o integrare in modo permanente o temporaneo le funzioni di una struttura ossea. Esso deve essere modellato nella forma prevista e posto nella posizione di lavoro, in cui verrà a interagire sia dal punto di vista meccanico sia biologico con i tessuti circostanti. Sono quindi necessarie buone caratteristiche meccaniche, facilità di lavorazione e biocompatibilità. Negli anni passati si è ricorso a materiali tradizionali, già sviluppati industrialmente, rispondenti ai primi due requisiti e resistenti alla corrosione come acciai inossidabili, leghe a base di cobalto e titanio. Successivamente lo sviluppo tecnologico ha favorito la progettazione di nuove leghe e il perfezionamento di quelle già esistenti, focalizzando l'interesse su quelle al titanio, sui materiali a memoria di forma e sulle tecnologie di trattamento superficiale. I materiali ceramici includono un vasto gruppo di materiali solidi non metallici con caratteristiche di alta resistenza alla compressione e relativa inerzia chimica. Fra questi, di particolare interesse risultano essere i carboni, che vengono usati nella costruzione di valvole cardiache e connettori percutanei per le loro proprietà antitrombogeniche, l'ossido di alluminio, utilizzato nelle protesi dentarie, i bioglass, che sono ceramiche attive, capaci di formare legami chimici diretti con i tessuti circostanti e i vari fosfati di calcio ampiamente utilizzati in ortopedia per riempimenti di difetti ossei. Infine i polimeri, che costituiscono una rilevante e vasta classe di biomateriale, sono sostanze macromolecolari le cui caratteristiche fisico chimiche e la stessa biocompatibilità possono essere variate in dipendenza di un numero molto elevato di variabili dando così origine a un numero praticamente infinito di materiali e a una corrispondente grande varietà di applicazioni. Tra queste ultime, sono da menzionare per la loro importanza le utilizzazioni in oftalmologia, nella fabbricazione di lenti a contatto, di cornee artificiali e nella chirurgia del distacco della retina, e in ortopedia, per la realizzazione di cementi ossei e di protesi di tendini e legamenti. Tentativi di impiego di materiali polimerici si sono avuti anche nella ricostruzione di vasi sanguigni, anche se in questo caso si sono verificati alcuni problemi nell'interazione del materiale con il sangue, per il pericolo di formazione di trombi. Altri settori di applicazione, si sono avuti nel campo delle membrane artificiali per ossigenatori e per dialisi e, in farmacologia, nella realizzazione di rivestimenti in materiale polimerico per il rilascio controllato di farmaci. Naturalmente, per tutte queste applicazioni, il materiale polimerico deve rispondere a requisiti di non tossicità, di non cancerogenicità, non deve scatenare reazioni immunologiche, deve essere privo di contaminanti. Nel caso di utilizzazione come materiali biodegradabili, i prodotti di degradazione debbono essere metabolizzati senza dar luogo a fenomeni tossici e ad accumulo di materiali esogeni in tessuti e organi. Infine è importante notare come materiali artificiali, con proprietà confrontabili se non migliori di quelle dei materiali naturali, siano facilmente reperibili o progettabili. Tuttavia va tenuto presente che, in taluni casi, le proprietà migliori possono giocare un ruolo addirittura negativo: per esempio la bassa deformabilità dei metalli rispetto a quella delle ossa può provocare tutta una serie di inconvenienti, come rallentare o addirittura ostacolare la formazione del callo osseo nel caso di giunzioni osso-metallo. In molti altri casi tuttavia tali complicazioni non esistono e materiali artificiali convivono con quelli naturali e anzi sopravvivono a questi ultimi.
Materiali di origine biologica
Accanto ai trapianti, nella sostituzione di organi, si sta sviluppando con successo l'utilizzazione di materiali di origine sia animale sia umana, in strutture già organizzate o allo stadio molecolare. Tali materiali infatti, oltre a presentare per la loro stessa natura buone caratteristiche di biocompatibilità, non necessitano in generale di tecnologie di ottenimento e fornitura particolarmente complesse e costose, per cui la loro produzione risulta anche alla portata della piccola industria o del piccolo gruppo di ricerca. I materiali di tale tipo possono essere suddivisi in materiali costituiti da tessuti molli, da tessuti duri e materiali per sutura. Per i primi l'utilizzazione principale si è avuta nel settore cardiovascolare, in cui sono stati utilizzati materiali di origine porcina, bovina e, naturalmente, umana per la realizzazione di protesi valvolari e di tratti di vasi sanguigni. Inoltre, pelle porcina e ovina sono state efficacemente impiegate per la ricostruzione di tessuti danneggiati a causa di lesioni o scottature. Naturalmente, prima dell'utilizzazione, tali materiali debbono essere sottoposti a una complessa serie di trattamenti volti a distruggere la componente deteriorabile del materiale stesso, in modo da renderlo immune all'attacco dei batteri. I materiali costituiti da tessuti duri sono stati utilizzati prevalentemente in ortopedia principalmente per il riempimento di lacune derivanti da difetti ossei o conseguenti all'asportazione di tumori. I principali requisiti richiesti riguardano sia le caratteristiche meccaniche del biomateriale, che debbono essere simili a quelle dell'osso, sia la compatibilità con l'osso stesso, che deve essere elevata. Il primo materiale utilizzato è stato lo stesso osso umano, prelevato da cadaveri, che, ovviamente, presenta caratteristiche ottimali dal punto di vista della biocompatibilità. Successivamente sono state utilizzate ossa provenienti da animali opportunamente trattate e, più recentemente, materiali diversi come frammenti di corallo e madrepore. Un altro campo in cui i materiali di origine biologica sembrano affermarsi è quello dei bioadesivi, data la non ottima biocompatibilità dei collanti artificiali. Fra questi il più interessante è la colla di fibrina, ottenuta per miscelazione del fibrinogeno umano con diversi reagenti (trombina, cloruro di calcio, ecc.). Attraverso una reazione analoga a quella che si ha nell'organismo umano si ha una produzione di fibrina utilizzabile come un normale adesivo sintetico. Va comunque ricordato che l'utilizzazione di materiali di origine biologica rimane confinata in un ambito relativamente ristretto di applicazioni, sia per i limiti intrinseci di tali materiali, sia per le difficoltà di approvvigionamento.
Rigenerazione di materiali biologici
Una possibile soluzione alla ricostruzione di parti od organi del corpo è quella di realizzare un supporto sul quale l'organismo stesso sia in grado di ricostruire la parte mancante. Se tale supporto è poi costituito da un materiale biodegradabile è possibile ottenere, dopo un certo periodo, che la parte ricostruita si presenti identica all'originale senza più alcuna traccia del materiale di supporto stesso. In questo ambito esiste tutta una vasta gamma di polimeri bioriassorbibili, che hanno già trovato numerose applicazioni, come nei fili di sutura e nel rilascio graduale di farmaci. Altre applicazioni, ancora in fase sperimentale, riguardano l'impiego di biomateriale di supporto biodegradabili e bioriassorbibili per la ricostruzione dell'intima di vasi sanguigni e, in ortopedia, materiali che vengono riassorbiti nel tempo di consolidamento di una frattura. In neurologia sono stati utilizzati canali sintetici per guidare la ricrescita di nervi danneggiati. Un interessante esempio di ricostruzione si è avuto nell'ambito della pelle artificiale, MIT Cambridge (USA), costituita da una membrana suturabile formata da uno strato superiore a base di silicone e uno inferiore biodegradabile. Durante l'applicazione lo strato inferiore viene riassorbito e sostituito da tessuto neodermico, mentre quello di silicone viene espulso con la formazione della nuova epidermide.
Materiali di sintesi identici ai naturali
In relazione alla realizzazione di materiali di sintesi che siano identici a quelli naturali, va notato che, allo stato attuale, esistono materiali in grado di sostituire egregiamente i materiali naturali, in particolare quando non venga a essi richiesto di svolgere particolari funzioni biologiche o non si debba alterare in alcun modo l'equilibrio biologico preesistente. Un esempio tipico si ha nella realizzazione di materiali che vengano a contatto con il sangue; infatti mentre è possibile realizzare con relativa facilità arterie e vene artificiali che eguaglino o superino quelle naturali, per quanto concerne le proprietà elastiche e di contenimento, è molto più difficile riprodurre le funzioni esplicate dall'endotelio nel suo contatto con il sangue. Un altro interessante esempio si ha per la pelle artificiale. Infatti, mentre le caratteristiche passive della pelle sono state adeguatamente riprodotte, altre funzioni, come la capacità di rilevare variazioni di pressione o di temperatura non sono state ancora ottenute nelle varie realizzazioni di pelle artificiale. In tale ambito sono stati condotti recentemente studi relativi all'impiego di particolari sostanze (polimeri pieza e piroelettrici), che rispondono con un segnale elettrico a stimoli meccanici e termici, per realizzare sensori tattili distribuiti capaci di simulare macroscopicamente alcune caratteristiche sensibili della pelle umana. Applicazioni di tali sensori si potrebbero avere nella sensorizzazione di protesi d'arto superiore e per fornire informazioni tattili a pazienti paraplegici. Appare inoltre particolarmente suggestiva la possibilità di utilizzare tali materiali per dotare di capacità sensitive le generazioni più evolute di robot. Sempre in questo stesso ambito si collocano alcuni studi piuttosto recenti e ancora in fase di sviluppo che riguardano lo studio sulle possibilità di impiego di altri materiali (polielettroliti reticolati e fibre al carbonio) per la realizzazione di muscoli artificiali. I polielettroliti presentano la caratteristica di contrarsi, sviluppando forze, in seguito all'eccitazione tramite opportuni segnali elettrici, in modo simile a quanto avviene nella fibra muscolare in risposta al comando nervoso. Con le fibre al carbonio è stato realizzato da ricercatori statunitensi un prototipo funzionante in cui le fibre sono collegate a un generatore di corrente elettrica e si estendono e si contraggono quando ricevono l'impulso; la direzione del movimento dipende dalla polarità della corrente. L'obiettivo è di mettere a punto un organo robusto per poter essere trapiantato nell'organismo umano. L'orientamento è quello di irrobustire le fibre di carbonio utilizzando particolari polimeri che presentano la caratteristica di essere duri, resistenti alla trazione e, contemporaneamente, anche flessibili.
I materiali in via di sperimentazione
La scoperta di nuove sostanze plastiche, il Pte (politioesteri), ottenute modificando il nutrimento fornito ai batteri Ralstonia utropha, ha favorito la realizzazione di nuovi strumenti chirurgici più sicuri e duraturi (dai cateteri alle valvole cardiache). Arricchendo il terreno di coltura di Tdp (acido tiodipropionato), i batteri cominciano a produrre Pte utilizzando una categoria particolare di enzimi. Le potenzialità per la ricerca e per le eventuali produzioni sono teoricamente illimitate perché gli enzimi utilizzati da questi batteri sono in grado di produrre diversi tipi di polimeri a seconda del diverso tipo di nutrimento loro fornito. Diversamente dai materiali precedentemente utilizzati (sulla cui superficie alcune specie di batteri riescono a proliferare facilmente), i politioesteri hanno una durata molto più lunga e non possono provocare infiammazioni; i Pte hanno infatti caratteristiche tali da rendere impossibile la vita a colonie di microrganismi. È in via di sperimentazione l'applicazione in campo medico di materiali finora utilizzati nel restauro di monumenti: si tratta di guaine a base di un composto inorganico e inalterabile di silicio e ossigeno. La composizione è stata leggermente modificata in modo da renderli perfettamente biocompatibili: variando la proporzione dei componenti si è ottenuto un materiale inattaccabile, capace di proteggere le cellule dalle aggressioni del sistema immunitario, e allo stesso tempo abbastanza poroso da farle respirare e da permettere la fuoriuscita delle sostanze prodotte dalle stesse cellule. La prima applicazione, in fase sperimentale, è consistita nel rivestire le isole del pancreas, le fabbriche di insulina distrutte dal diabete, per renderne più facile il trapianto, evitando così ogni rischio di rigetto. Secondo gli studiosi una tecnica analoga potrebbe essere utilizzata per trapiantare altri tipi di cellule, per esempio quelle necessarie per combattere il morbo di Parkinson. La coltivazione di tessuti umani in laboratorio, infine, è l'altra frontiera nello sviluppo dei materiali biocompatibili. Il primo tessuto coltivato in provetta è stata la pelle, che si usa regolarmente nella cura delle ustioni più gravi. Recentemente sono cominciati i primi trapianti di pelle coltivata nei pazienti colpiti dalla vitiligine. Oltre alla pelle, comunque, vengono coltivati epitelio della cornea e della congiuntiva, cartilagine e ossa. Notevoli sono i progressi finora compiuti nella coltivazione di ossa artificiali: vengono utilizzate cellule di midollo osseo che hanno la caratteristica, potenziale, di svilupparsi e specializzarsi in direzioni molto diverse; crescendo, queste possono diventare cartilagine, osso, muscolo, tessuto adiposo. Gli interruttori che guidano il loro sviluppo in una direzione piuttosto che in un'altra sono i fattori di crescita, ossia cocktail di sostanze nutritive nei quali sono coltivate le cellule, e il tipo di impalcatura (di solito un materiale ceramico naturale o sintetico) sulla quale le cellule si modellano e interagiscono, assumendo la forma definitiva. La ricerca sui biomateriali è densa di implicazioni e sviluppi scientifici per le applicazioni biomediche.