I Biomateriali Rosanna La Rocca. La Scienza dei biomateriali studia le interazioni tra materiali...

I Biomateriali

Rosanna La RoccaRosanna La Rocca

La Scienza dei biomateriali studia le interazioni tra

materiali viventi e non viventi.

I biomateriali devono avere una proprietà fondamentale definita :

Biocompatibilità

Il grado di biocompatibilità di un materiale

dipende da:

Forma

Struttura

Composizione

Proprietà fisiche, chimiche, meccaniche,

elettriche

La biocompatibilità è correlata a :

Tolleranza dei tessuti verso il materiale estraneo

La sua stabilità chimica e fisica per il tempo di

permanenza nell’organismo

LEGISLAZIONE EUROPEA SUI DISPOSITIVI MEDICI

I) AIMDD

(the Active Implantable Medical Devices Directive)

II) MDD

(the Medical Device Directive)

I. Requisiti generali

L’utilizzo dei dispositivi non deve compromettere lo

stato clinico e la sicurezza dei pazienti.

I dispositivi devono fornire le prestazioni loro

assegnate dal fabbricante.

I dispositivi devono essere progettati e imballati in

modo che le caratteristiche non vengano alterate

durante la conservazione ed il trasporto.

Requisiti essenziali

II. Requisiti relativi alla progettazione e alla costruzione

a) Caratteristiche fisiche, chimiche e biologiche:

- scelta dei materiali (tossicità ed infiammabilità)

- la compatibilità reciproca tra materiali utilizzati e tessuti, fluidi

corporei…etc

b) Infezione e contaminazione microbica:

- Riduzione dei rischi d’infezione

- Fabbricazione e Sterilizzazione in condizioni adeguate.

- I sistemi di imballaggio devono essere adeguati per mantenere la

sterilità.

Classificazione dei dispositivi biomedici secondo il rischio per il paziente:

Classe I: basso rischio (dispositivi non invasivi)

Classe II: medio rischio

a) I dispositivi invasivi che interessano gli orifizi corporei

naturali

b) I dispositivi parzialmente o totalmente impiantabili

nell’organismo.

Classe III: alto rischio

- I dispositivi che agiscono sul funzionamento degli organi vitali

Dispositivi Non Invasivi e Dispositivi Invasivi

SISTEMA COMPLETO DI GARANZIA DI QUALITA’

(ISO 9001/EN46001)

Il fabbricante deve Verificare :

La progettazione

La fabbricazione

Il controllo finale del prodotto

Che sia soggetto a Verifica e Certificazione CE

Metodi di indagine sui Biomateriali

IMMUNOGENICITA’

CICATRIZZAZIONE

CANCEROGENICITA’

Il materiale migliorerà o no la cicatrizzazione di una ferita!!???

Risposta autoimmune

Effetti a lungo termine

COMPATIBILITA’Metodo per valutare l’effetto del materiale dal contatto con il sangue

TOSSICITA’

A) TEST DI CITOTOSSICITA’:

- costituiscono una tecnica rapida, economica e sensibile per

valutare

la biocompatibilità;

- sono utili nello screening dei materiali per la costruzione di un

dispositivo medico.

B) TEST DI PIROGENICITA’:

- l’obbiettivo è la ricerca di quelle sostanze di origine chimica o

batterica, detti pirogeni, capaci d causare uno stato febbrile se

presenti nell’organismo di un paziente in dose sufficientemente

elevata.

Genotossicità

Un dispositivo impiantato può produrre anche danni

al DNA

COMPATIBILITA’ CON IL SANGUE O EMOCOMPATIBILITA’

I derivati del carbonio possiedono eccellenti doti di biocompatibilità ed è ormai invalso l’uso generale di depositare carbonio pirolitico suvalvole cardiache e vasi sanguigni artificiali per aumentarne laemocompatibilità.

TROMBOSI

Emocompatibilità (test in vivo ed in vitro)

Metodo per la valutazione della coagulazione del sangue.

LE REAZIONI DELL’ORGANISMO ALL’ IMPIANTO DI UN MATERIALE ESTRANEO

Patogenesi: Biofilm

Il processo inizia con un rapido attacco dei microorganismi alla matrice proteica che ricopre la superficie del materiale protesico.

Il processo progredisce con la crescita e l’aggregazione dei microorganismi sulla superficie protesica a formare il biofilm

i biomateriali

Si definisce biomateriale un materiale concepito per interfacciarsi con i sistemi biologici per valutare, trattare, aumentare, dare supporto o sostituire un qualsiasi tessuto, organo o funzione del corpo.

(II International Consensus Conference on Biomaterials, Chester, Gran Bretagna, 1991).

Storia del Biomateriale

La storia dei biomateriali può essere riassunta in tre tappe fondamentali:

Biomateriali di prima generazione: il requisito fondamentale per il materiale è di essere bioinerte

Biomateriali di seconda generazione: il requisito fondamentale è di essere bioattivo.

Biomateriali di terza generazione: rappresentano il presente e il futuro dei biomateriali; il materiale deve essere sia bioattivo che riassorbibile.

I BIOMATERIALI CERAMICI

• Composti inorganici che contengono sia elementimetallici sia elementi non metallici:– Ossidi (Al2O3, TiO2, MgO, SiO2, …)– Carburi (TiC, SiC,…)– Idruri, solfuri, seleniuri,…

• Varietà di legami chimici, da covalente puro a ionico

• Enorme importanza tecnologico-industriale:– Siderurgia, metallurgia– Industria metalmeccanica– Edilizia– Elettronica– Nucleare

I materiali ceramici si dividono in tradizionali e avanzati.

– Tradizionali: ceramici a base di argilla a cui vengono aggiunti quarzi, calcari, etc. Si suddividono in materiali a pasta porosa e a pasta compatta.– Avanzati: preparati per sinterizzazione di ossidi, siliciuri, nitruri,etc.

• Applicazioni biomediche: odontoiatria, ortopedia,chirurgia vascolare.

• Vantaggi:– Basso impatto sul sistema immunitario– Inerzia chimica verso i fluidi– Alta resistenza alla compressione– Basso coefficiente di attrito

Esempi di proprietà fisiche rilevanti

• Elevata temperatura di fusione– Allumina: 2050°C– MgO: 2750C– Grafite: ca. 4000°C

• Bassa conducibilità termica– Porcellana: 1 W/Mk

• Elevata resistività elettrica– Allumina: ca. 1012 ohm.m

Materiali più importanti:

– Ossido di alluminio (allumina, corindone)– Idrossiapatite (HA), idrossicarbonatoapatite (HCA)– β-fosfato tricalcico (TCP)– Biovetri– Carbonio pirolitico

I biomateriali ceramici

Applicazioni dell’allumina

• L’Allumina pura è utilizzata sin dai primi anni ‘70 come materiale da innesto, specialmente per protesi artificiali e impianti dentali grazie alla sua eccellente compatibilità con i tessuti ed alle sue buone proprietà meccaniche.

Nel corso degli ultimi anni ha assunto un ruolo fondamentaleanche nel campo della chirurgia maxillofacciale.

• Si classificano in:

– Ceramiche bioinerti (elevata resistenza)– Ceramiche bioattive (capaci di formare legami con tessuto osseo e con tessuti molli)– Ceramiche bioassorbibili (coinvolte in processi metabolici)

I biomateriali ceramici….

Materiali ceramici bioattivi:• Generalmente riassorbibili• Ricostruzioni di tessuto osseo, ma anche giunture,legamenti, tendini, etc.• Più importante: fosfato di calcio. A seconda del rapporto Ca/P cristallizza in due forme:– Idrossifosfato di calcio (idrossiapatite, HA)

Materiali ceramici bioinerti:• (allumina calcinata). Per utilizzo come biomateriale deve avere purezza >99.5% (SiO2, Na2O < 0.1%)• Proprietà richieste (ISO 6474, ASTM F603-83)– Densità (g/cm3) >3.9– Dimensioni medie del grano (mm) <0.7– Microdurezza (MPa) 23000– Resistenza alla compressione (MPa) 4000

I Materiali Metallici da Impianto

•I metalli possono essere ottenuti da metalli semplici.

•Hanno una struttura cristallina,

•Sono buoni conduttori di calore ed elettrici, hanno, infatti, una bassa resistività.

I Materiali Metallici da Impianto:Le leghe

•Una lega è una miscela di due o più elementi di cui uno è un metallo.

•Questi biomateriali si caratterizzano per la loro duttilità, si deforma ma non si rompe.

•Purtroppo venendo a contatto con i liquidi biologici tendono ad usurarsi.

es: ACCIAIO INOSSIDABILE

• Lega costituita da ferro, carbonio e in minore percentuale da cromo.

• Il principale tipo di acciaio inossidabile è l'austenitico, che in fase solida si forma da una lega di ferro e carbonio, il ferritico e il martensitico che è duro e tenace e risulta indicato per bisturi e altri strumenti da taglio.

Processo Infiammatorio

Induzione di Molecole di Adesione

Vasodilatazione

Aumento della Permeabilità

Dolore

Danno Tissutale

Essudato

THE IMMUNE SYSTEM ORGANIZATION

Pathogen

Innate immunity(0-4 hr)

Risposta adattativa precoce4-96 hr

Risposta adattativa tardiva >96 hr

Espansione clonale cellule della memoria

Risposta Immunitaria

Linfociti B e produzione di Ab

STRUTTURA FONDAMENTALE DI UNA MOLECOLA DI

IMMUNOGLOBULINA

CH3

CH2

CL

CH1

VH

VL

catena leggera:-1 dominio variabile VL

-1 dominio costante CL

catena pesante:1 dominio variabile VH

3 o 4 domini costanti CH, a seconda dell'isotipo