Biomateriali

Biomateriali

Come biomateriali vengono generalmente definite sostanze (diverse dai farmaci), o combinazioni di sostanze, di origine naturale o sintetica, che possono essere impiegate per un qualunque periodo di tempo, sia da sole sia come parte di un sistema, al fine di trattare, potenziare, sostituire qualsiasi tessuto, organo o funzione del corpo.

Materiali biocompatibili

La scienza dei biomateriali si interessa della produzione di nuovi materiali e della loro caratterizzazione fisico-chimica e meccanica. Per tale caratterizzazione è possibile, in generale, utilizzare metodiche e tecniche tradizionali. In aggiunta a ciò, è però necessaria anche una caratterizzazione biologica, da effettuarsi in vitro e in vivo 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, nota come biocompatibilità, è la principale e peculiare caratteristica che devono presentare i materiali utilizzati in ambito medico-biologico e consiste nel fatto che un biomateriale deve poter sostituire, in parte o in tutto, un tessuto vivente senza che l'organismo in cui è inserito debba 'accorgersi' della sua presenza.Un materiale biocompatibile è quindi quello che possiede proprietà meccaniche, chimiche ed elettriche tali da non danneggiare i sistemi biologici e da non essere a sua volta danneggiato dopo la sua inserzione all'interno di un organismo vivente o il suo contatto con esso. In conclusione, da un punto di vista tecnologico, un biomateriale ideale dovrebbe possedere: una buona stabilità chimica, in quanto variazioni delle sue proprietà chimiche possono provocare variazioni indesiderate di altre sue caratteristiche; assenza di fenomeni tossici e cancerogeni, in quanto l'organismo, normalmente, tende a espellere un corpo estraneo attraverso processi infiammatori o ad assorbirlo con produzione di sostanze tossiche e/o cancerogene; assenza di fenomeni di rigetto, che sono comunque molto minori, nel caso di materiali artificiali, rispetto a quelli che si verificano nei trapianti di organo; assenza di effetti che possano provocare la coagulazione del sangue, quando il biomateriale venga a contatto con il flusso sanguigno. Un materiale biocompatibile deve inoltre presentare proprietà elettriche adeguate, spesso in relazione ai fenomeni citati al punto precedente; opportune proprietà di resistenza meccanica, qualora venga sottoposto a sollecitazioni non trascurabili; densità tale da consentire il mantenimento del peso delle apparecchiature entro limiti accettabili; proprietà anticorrosive, necessarie per non avere un deterioramento rapido del materiale e, contemporaneamente, per non porre in circolazione sostanze che possano essere nocive; e infine possibilità di essere ripetutamente sterilizzato senza degrado.

Tipologie di biomateriali

Tralasciando l'utilizzazione di materiali di origine biologica allo stato vivente (trapianto di tessuti od organi), le vie che vengono seguite nello sviluppo di nuovi biomateriali sono sostanzialmente quattro: impiego di materiali di origine biologica trattati opportunamente e usati per protesi; impiego di materiali artificiali, sia già utilizzati in altri settori sia appositamente sintetizzati per renderli più idonei alle condizioni in cui debbono operare; produzione per via sintetica di materiali identici a quelli naturali; rigenerazione per via naturale su supporto artificiale di materiali identici a quelli naturali.

a) Materiali di origine biologica. Accanto ai trapianti, attualmente si sta sviluppando con successo l'utilizzazione di materiali di origine sia animale sia umana, in strutture già organizzate o allo stadio molecolare. L'utilizzazione di questo tipo di materiali si inserisce nell'ambito di una sempre maggiore ricerca di materiali di alta sofisticazione e di migliore biocompatibilità. A ciò si deve aggiungere il fatto che i materiali biologici, in generale, non necessitano di tecnologie di ottenimento e fornitura particolarmente complesse e costose; per questo motivo essi sono alla portata anche della piccola industria e del piccolo gruppo di ricerca. I materiali compresi in questo ambito, di varia provenienza e utilizzazione, possono essere suddivisi in materiali costituiti da tessuti molli, materiali costituiti da tessuti duri e materiali per sutura. Per i primi l'utilizzazione principale si ha in campo cardiovascolare e in particolare nelle protesi valvolari. Inizialmente sono state utilizzate valvole di maiale, ma i problemi di selezione comportati da tale soluzione hanno fatto preferire altri tipi di tessuti, quali pericardio o dura madre bovini, che, opportunamente trattati, formati e assemblati, consentono di realizzare la protesi nelle dimensioni e forme volute. Sempre in campo cardiovascolare si sono realizzate protesi di vasi sanguigni e dotti di piccolo diametro utilizzando vene ombelicali umane. Infine è attualmente molto utilizzata la pelle di maiale e quella ovina. Tale materiale può essere impiegato in svariate applicazioni, quali la ricopertura di lesioni e scottature, la ricostruzione del timpano ecc. Naturalmente, prima di poter essere utilizzati, questi materiali debbono essere sottoposti a una serie di trattamenti, quali pulitura, fissazione, formatura, assemblaggio, sterilizzazione e conservazione. L'operazione più significativa è quella di fissazione: essa viene effettuata con un agente chimico che distrugge la componente deteriorabile del materiale rendendolo immune all'attacco dei batteri.

I materiali di origine biologica costituiti da tessuti duri vengono prevalentemente utilizzati per riempimenti nel caso di difetti ossei o asportazione di tumori, per sostituzioni diafisarie ecc. I principali requisiti richiesti riguardano le caratteristiche meccaniche, che devono essere simili a quelle dell'osso, e un'alta compatibilità con l'osso stesso. Il primo materiale a essere utilizzato è stato lo stesso osso umano, prelevato da cadaveri, che mostra caratteristiche ottime dal punto di vista della compatibilità. Successivamente sono state usate ossa di provenienza animale, opportunamente trattate. Più recentemente sono stati utilizzati materiali diversi, come frammenti di corallo e madrepore, ed è stata sperimentata anche la possibilità di utilizzare il legno. Quest'ultimo materiale sembra offrire dei vantaggi sia perché presenta struttura e prestazioni affini a quelle dell'osso, sia perché risulta facilmente adattabile anche durante l'intervento chirurgico.

Un altro campo in cui i materiali biologici sembrano imporsi decisamente è quello degli adesivi, poiché i collanti artificiali si sono rivelati scarsamente biocompatibili. Fra gli adesivi di origine biologica, il più significativo è la colla di fibrina, che viene usata correntemente sull'uomo con ottime caratteristiche di compatibilità, facilità di preparazione e utilizzo. Il materiale è ottenuto per miscelazione del fibrinogeno umano con diversi reagenti (trombina, cloruro di calcio ecc.). Tali reagenti, attraverso una reazione analoga a quella che si ha nell'organismo umano, permettono la produzione di fibrina utilizzabile come un normale adesivo sintetico.

È necessario tuttavia ricordare che l'impiego di materiali biologici rimane comunque circoscritto a un ambito relativamente ristretto di applicazioni, sia per i limiti che i materiali stessi presentano relativamente ad alcune loro proprietà sia per le difficoltà di approvvigionamento.

b) Materiali artificiali. Un differente tipo di approccio è quello di utilizzare per applicazioni di tipo biologico materiali che sono stati sviluppati per altri tipi di applicazioni, dopo averne verificate le caratteristiche di biocompatibilità. Fino a qualche anno fa, la scelta di un materiale per un organo artificiale veniva effettuata caratterizzando il materiale biologico dal punto di vista delle sue proprietà principali e relativamente alle varie utilizzazioni, e successivamente scegliendo il materiale tradizionale con proprietà simili o migliori. In tale contesto si sono identificati un certo numero di polimeri tradizionali e alcuni metalli con caratteristiche di elevata biocompatibilità e proprietà meccaniche addirittura superiori a quelle dei materiali biologici che dovevano sostituire. I biomateriali artificiali attualmente più utilizzati sono normalmente costituiti da polimeri, metalli e materiali ceramici.

I polimeri, che formano un'importante e variegata classe di biomateriali, sono sostanze macromolecolari, sostanze cioè le cui molecole sono composte da numerose 'unità' uguali (nel caso più comune tale struttura fondamentale è una catena di carbonio). Se il procedimento di sintesi viene eseguito in modo tale che le unità costituenti la macromolecola siano di più di un tipo chimico, si parla più propriamente di copolimeri. Tali materiali variano grandemente nella loro struttura e proprietà, dando origine a un numero praticamente infinito di possibili polimeri, per ciascuno dei quali le caratteristiche specifiche, come la resistenza, la reattività chimica, la degradazione e la biocompatibilità, possono essere influenzate da un grande numero di variabili. Fra queste, le principali riguardano il tipo di struttura (la più comune, come già detto, è quella a catena di carbonio), la lunghezza della catena, il grado di crosslinking e di idratazione ecc. In corrispondenza a questa grande varietà di materiali si ha un altrettanto vasto campo di applicazioni. Tra queste, particolarmente estese sono le applicazioni in oftalmologia e ortopedia, campi in cui vengono richieste ai materiali proprietà notevolmente diverse a testimonianza della grande versatilità di impiego dei polimeri. In particolare, in oftalmologia, l'applicazione di gran lunga più rilevante è quella relativa alla realizzazione di lenti a contatto, anche se polimeri trovano largo uso anche nella realizzazione di cornee artificiali e nella chirurgia del distacco della retina. In ortopedia, in cui le prime utilizzazioni di tali materiali risalgono al 1946, le maggiori applicazioni si hanno nella realizzazione di cementi ossei, utilizzati per la fissazione di protesi articolari, nonché per protesi di tendini o legamenti. Più complesso è stato l'impiego di tali materiali nella realizzazione di protesi vascolari e, in generale, di apparati o sistemi che vengano a contatto con il sangue. In tal caso, infatti, particolare attenzione deve essere posta al moto relativo del sangue rispetto al materiale e alle caratteristiche dell'interfaccia polimero-sangue. Di particolare gravità risulta essere, in tale contesto, la possibilità che si verifichino dei trombi dovuti a effetti anomali di coagulazione del sangue. Per tale motivo si stanno affermando, per questi usi, materiali con particolare struttura meccanica, ricoperti da materiali aventi proprietà anticoagulanti. Un aspetto che, sotto questo profilo, risulta particolarmente importante è la caratterizzazione del materiale dal punto di vista elettrico: infatti il materiale dovrebbe assumere una carica negativa rispetto al sangue che lo lambisce, in analogia a quanto avviene nelle normali condizioni fisiologiche. Altre applicazioni biomediche in cui i polimeri trovano largo impiego sono le membrane per ossigenatori o dialisi; in tal caso, le proprietà fisico-chimiche del materiale sono determinanti per lo svolgimento della funzione terapeutica. Infatti, il trasporto attraverso queste membrane sintetiche dipende sostanzialmente, oltre che da eventuali forze agenti sulle specie presenti (come una differenza di potenziale elettrico, di temperatura ecc.), dalle dimensioni molecolari del soluto e dalla struttura fisica della membrana, nonché dalla compatibilità del soluto con il materiale costituente la membrana stessa. Un'ultima interessante applicazione biomedica dei materiali polimerici si ha in farmacologia e, in particolare, nella realizzazione di sistemi macromolecolari per il rilascio controllato di farmaci. I principali vantaggi di tale tipo di somministrazione consistono nella possibilità di mantenere concentrazioni ottimali di farmaco nel plasma senza apprezzabili fluttuazioni ed eliminando la necessità di somministrazioni ripetute. La scelta del materiale polimerico deve rispondere a esigenze di non tossicità, non cancerogenicità, incapacità di scatenare reazioni immunologiche, assenza di contaminanti. Nel caso di sistemi biodegradabili, i prodotti di degradazione debbono essere metabolizzati senza dar luogo a fenomeni tossici e ad accumulo di materiali esogeni in tessuti e organi.

L'impiego di materiali metallici in campo biomedico è legato alle prestazioni tipiche degli stessi in ingegneria. Nell'applicazione più tradizionale, che è quella ortopedica, il materiale ha il compito di sostituire o integrare in modo permanente o temporaneo le funzioni di una struttura ossea. Deve quindi essere modellato nella forma prevista e posto nella posizione di lavoro in cui si troverà a interagire sia meccanicamente, sia dal punto di vista biologico con l'ambiente circostante. Sono quindi richieste buone caratteristiche meccaniche, facilità di lavorazione e biocompatibilità. Negli anni passati si è fatto ricorso, anche in questo campo, a materiali tradizionali già sviluppati industrialmente, rispondenti ai primi due requisiti e dotati di una buona resistenza alla corrosione, come gli acciai inossidabili e leghe a base di cobalto e di titanio. Successivamente, lo sviluppo delle ricerche sui biomateriali ha favorito la progettazione di nuove leghe e il perfezionamento di quelle esistenti, focalizzando l'interesse sulle leghe di titanio, sui materiali a memoria di forma e sulle tecnologie di trattamento superficiale.

Un'altra classe di materiali tradizionali largamente utilizzati in medicina è quella dei materiali ceramici, che include un vasto numero di materiali solidi non metallici con caratteristiche di alta resistenza alla compressione e relativa inerzia chimica. Fra questi, rivestono particolare interesse i carboni, che vengono usati nella costruzione di valvole cardiache e di connettori percutanei per le loro ottime proprietà antitrombogeniche. L'ossido d'alluminio (Al₂O₃) trova utilizzazione nelle protesi dentarie e, nella sua forma cristallina, nelle protesi d'anca. I bioglass sono ceramiche attive capaci di formare legami chimici diretti fra l'impianto e il tessuto circostante. I vari fosfati di calcio hanno eccellente compatibilità con l'osso e vengono rimodellati dal corpo quando sono utilizzati per il riempimento di difetti ossei.In conclusione, è opportuno mettere in evidenza come non sia difficile trovare o progettare materiali artificiali con proprietà confrontabili, se non superiori, a quelle dei materiali naturali. Tuttavia, va tenuto presente che, in taluni casi, tale superiorità può giocare un ruolo addirittura negativo: per es., la bassa deformabilità dei metalli rispetto a quella delle ossa può provocare una serie di inconvenienti, come il rallentare o addirittura impedire la formazione del callo osseo nella realizzazione di giunzioni osso-metallo. In molti altri casi, però, tali complicazioni non esistono e i materiali artificiali convivono con quelli naturali e anzi sopravvivono a questi ultimi.

c) Produzione per via sintetica di materiali identici ai materiali biologici. La produzione di materiali di sintesi che siano 'identici' a materiali biologici è ancora in gran parte in una fase di ricerca e sperimentazione. Allo stato attuale sono stati realizzati dei materiali in grado di sostituire egregiamente quelli naturali, a meno che non sia loro richiesto di svolgere una qualche funzione biologica o di non modificare gli equilibri naturali. Ciò risulta particolarmente evidente quando si tratta di materiali che vengono a contatto con il sangue; infatti, mentre allo stato attuale è possibile realizzare arterie e vene artificiali che eguaglino o superino quelle naturali per quanto concerne le proprietà elastiche e di contenimento, è molto più difficile riprodurre con un materiale sintetico tutte le funzioni esplicate dall'endotelio nel suo contatto con il sangue. Un altro interessante esempio è quello relativo alla pelle artificiale. Infatti, mentre le caratteristiche puramente passive della pelle sono state adeguatamente riprodotte, per altre funzioni, come la capacità di rilevare variazioni di pressione o di temperatura, si è ancora molto lontani dalle caratteristiche naturali. In tale ambito sono stati condotti recentemente studi relativi all'impiego di polimeri piezo- e piroelettrici 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 al fine di 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 le possibilità di impiego di polielettroliti reticolati per la realizzazione di muscoli artificiali. Tali sostanze presentano la caratteristica di contrarsi, sviluppando forze, in seguito all'eccitazione tramite opportuni segnali elettrici. Tale settore di studio e le sue eventuali applicazioni, come accennato, sono ancora a uno stadio del tutto preliminare; esso appare comunque denso di implicazioni scientifiche ed esemplificativo dello sviluppo di materiali concepiti ad hoc per applicazioni biomediche.

d) Rigenerazione di materiali biologici. Una possibile soluzione alla ricostruzione di parti od organi del corpo è quella di fornire un supporto, con un opportuno biomateriale, sul quale l'organismo stesso sia in grado di ricostruire la parte mancante. Se il biomateriale è un materiale biodegradabile è possibile ottenere, dopo un certo tempo, la parte ricostruita identica all'originale, senza più alcuna traccia del biomateriale stesso. In questo ambito esiste una vasta gamma di polimeri bioriassorbibili che hanno già trovato numerose applicazioni, come nei fili per sutura e nel rilascio controllato di farmaci. Altre applicazioni, ancora in fase sperimentale, riguardano l'impiego di materiali di supporto biodegradabili e bioriassorbibili per la ricostruzione dell'intima dei vasi sanguigni e, in ortopedia, di materiali che vengano via via riassorbiti nel tempo di consolidamento di una frattura e non richiedano quindi un successivo intervento. In neurologia sono stati impiegati canali sintetici per guidare la rinascita di nervi danneggiati. Un interessante esempio di ricostruzione è la pelle artificiale sviluppata al MIT di Cambridge (Massachusetts), formata da una membrana suturabile costituita da uno strato superiore di elastomero siliconico e uno inferiore biodegradabile, consistente in un reticolo di collagene-glicosoamminoglicani (GAG) reticolati. Durante l'applicazione lo strato di collagene-GAG viene riassorbito e sostituito da tessuto neodermico, mentre quello di silicone viene espulso con la formazione della nuova epidermide.

Lo sviluppo dei biomateriali nelle quattro grandi aree descritte ha dato un importante contributo alla medicina moderna nel corso degli ultimi venticinque anni. Da essi infatti è largamente dipeso il successo di apparecchiature di assistenza, eso- ed endoprotesi che attualmente vengono usate in quantità molto elevate (si pensi ai milioni di apparecchiature per dialisi utilizzate ogni anno, alle protesi dentarie, alle lenti a contatto ecc.). In molte di queste applicazioni i biomateriali hanno raggiunto livelli molto elevati di sofisticazione, anche se è ancora lontana una riproduzione perfetta di tessuti e organi naturali. Ciò conferma che ancora per molti anni il benessere e la salute del genere umano dipenderanno in modo rilevante sia dalla ricerca sia dalle nuove applicazioni in questo settore.

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