Materiali Biomimetici

Materiali biomimeticiLa necessità di rimpiazzare tessuti o organi non funzionanti ha stimolato la ricerca di sostituti d’organo e di protesi.Questi ultimi devono soddisfare una serie di requisiti che riguardano aspetti meccanici biologici e chirurgici

• Devono sostenere dei carichi• Devono minimizzare l’usura e l’attrito• Devono evitare l’insorgere di reazioni dannose

per l’organismo

La sostituzione di un capo articolare con componenti artificiali risale all'inizio del 1900. La prima protesi fu realizzata da Smith-Petersen con materiale non biologico: vetro, metallo, derivati della celluloide

Evoluzione dei biomaterialida utilizzo esclusivamente protesico a

funzione di interazione biologica.

Legno

metalli

Ceramici, metalli e polimeri informativi

biomimetico = intelligente

• Il biomateriale deve essere immunologicamente inerte

• dopo l’integrazione il biomateriale deve essere sostituito dal tessuto originario

• il biomateriale deve scambiare segnali con le cellule dell’ospite

Storicamente metalli e polimeri sono stati i primi materiali ad essere usati nelle protesi chirurgiche. Con il passare del tempo ci si è dovuti confrontare con due grossi problemi:

• alta velocità d'usura che può tradursi nella rottura dell'impianto o dell'osso;

• bassa compatibilità.

I ceramici furono presi in considerazione per applicazioni biomediche come ultimo gruppo di materiali. Ci furono due grosse ragioni per le quali si trascurarono i ceramici come materiali da innesto

• I ceramici tecnici non sono molto puri quindi la biocompatibilità era dubbia

• ed in particolare sono tutti limitati in resistenza rispetto agli altri materiali.

Nascita dei bioceramici• diversi ceramici furono migliorati in purezza

e resistenza

• ceramici furono scoperte nuove proprietà meccaniche favorevoli come la resistenza all’usura e una bassa frizione

• fu scoperto un comportamento attivo, il quale conduce a un legame con il tessuto circostante o a degradazione e conversione in osso.

Come progetta la natura ?L’evoluzione naturale ha permesso la realizzazione di materiali biologici con prestazioni meccanico strutturali straordinarie a cui gli analogi sintetici

devono tendere Fraz vol inorganica(%)

Modulo(Gpa)

Sforzo(Gpa)

Lavoro di frattura(J/ m 2)

Osso 41 16 270 1700Corno 31 7.7 179 6200Ostrica 95 73 167 464Madreperla 0 25-80 100-1000Smalto 92 45 76 200Dentina 48 12 250 550

Proprietà di ceramici biologici

La natura nell’evoluzione biologica ha ottimizzato la microstruttura di ogni tessuto sulla base di ogni specifica funzione fisiologica.

Gli organismi viventi costruiscono scheletri mineralizzati da 550 milioni di anni, i biominerali conosciuti finora sono circa 80 e appartenenti a tre gruppi

• Fosfati di calcio

• carbonati di calcio

• silice (opale)

Struttura e funzione dei tessuti biologiciTutti i tessuti biologici sono strutture composite spesso a comportamento anisotropo e viscoelastico, costituite da diversi componenti che interagendo fra di loro conferiscono le necessarie proprietà.

OssaLe ossa hanno una funzione di sostegno meccanico del corpo umano e di regolazione motoria.

Strutturalmente sono costituite da • una miscela di collagene, soffice ma

tenace

• materiale molto rigido ma ancora fragile (apatite)

I bioceramici possono essere divisi in tre gruppi caratterizzati dal loro comportamento negli ambienti biologici

• Ceramici bioinerti

• Ceramici biodegradabili

• Ceramici bioattivi

• alta densità,• alto modulo di Young’s• buona durezza

ceramici bioinerticeramici-Al2O3, MgO, ZrO2, Si3N4, SiC, e Si-Al-ON

bioceramici inerti usati in impianti che espletano funzione portante, in modo particolare in protesi d’anca e di ginocchio

Vantaggi e svantaggi

• Il vantaggio dei materiali porosi inerti è la crescita interna del tessuto nei pori. L’interfaccia è rappresentata da un tessuto vivente nei pori.

• La limitazione, è che i pori siano grandi tra 50 e 150 µm. , altrimenti si avrebbe una diminuzione della resistenza del materiale proporzionalmente alla sua frazione di volume.

Ceramici biodegradabili

• alto grado di solubilità il quale porta ad una graduale degradazione e riassorbimento da parte dei tessuti circostantisi é osservato, in alcuni casi, una trasformazione totale del materiale in osso vivente

• Sono progettati per degradare gradualmente dopo un periodo di tempo ed essere sostituiti da un tessuto naturale.

Vantaggi e svantaggi

• Sono progettati per degradare gradualmente dopo un periodo di tempo ed essere sostituiti da un tessuto naturale.

• Lo svantaggio è che la loro velocità di riassorbimento è confrontabile con la velocità di riparazione dei tessuti corporei

Ceramici bioattivi

• Vetri bioattivi (bioglass)

• Vetro-ceramiche bioattive (Ceravital, A-W)

• Idrossiapatite

I materiali bioattivi formano un legame all’interfaccia con il tessuto adiacente. Tuttavia, il tempo per faravvenire il legame, la forza, il meccanismo e lo spessoredella zona differiscono per i vari materiali.

BIOVETRIIl professor Larry Hench li scoprì nel 1969 presso l’Università della Florida a Gainesville.Il biovetro è una ceramica vetrosa composta da :• Biossido di silicio (45%)

• Ossido di sodio (24.5%)

• Ossido di calcio (24.5%)

• Pentossido di fosforo (6%)

Sodio, silicio, calcio e fosforo sono minerali normalmente esistenti nell’organismo.

Il biovetro possiede la caratteristica della bioattività, ovvero la capacità di sviluppare un legame con le strutture organiche costituenti il tessuto connettivo e il tessuto osseo (fibre, collagene) e di indurre la mineralizzazione di quest’ultime con l’attivazione delle cellule formative dell’osso (osteoblasti)

Risultati di studi sull’impiego di HAP per rivestire metalli porosi hanno aperto la strada alla fissazione senza cemento delle

protesi ortopediche.

Formazione di apatite ossea, biologicamente attiva su un substrato:• Ceramico

• Polimerico

• Metallico

Crescita di apatite ossea su substrato ceramico

•Ceramico A-W con

•matrice MgO-CaO-SiO2glassy

•10 giorni in SBF

Quando il biovetro viene inserito nei tessuti viventi, si sviluppa molto rapidamente uno strato di osso naturale

• Si forma uno strato di gel ricco di silicio sulla superficie del materiale grazie agli H3O+ in SBF

• Nella parte superiore del hidrogel si deposita uno strato ricco di calcio e fosforo, provenienti dal calcio e dal fosforo costituenti del biovetro e dell’organismo, (idrossiapatite)

• Il risultato finale è la rapida stimolazione alla ricrescita dell’osso naturale che sostituisce in tempi brevi il materiale artificiale, il quale fornisce inoltre l’impalcatura meccanica entro cui l’osso naturale ricresce.

Nucleazione dell’apatite

• Si immerge un gel di silice preparato col metodo sol-gel in SBF

HAP su substratodi hidrogel disilicio

Nucleazione dell’apatite

• Anche i gruppi Ti-OH ottenuti da un gel di titanio in SBF formano siti di nucleazione di apatite

PerioGlass

Formazione di apatite ossea su substrato polimerico

• Polimero organico (pmma, pet, pesf…)

• immerso in SBF in presenza di particelle di CaO-SiO2-based glass (150-300 m )

• le particelle di CaO-SiO2-based glass rilasciano ioni silicato

• adsorbimento sulla superficie del polimero

• nucleazione di apatite in SBF

• crescita dei nuclei in 1.5 SBF consumando ioni calcio e ioni fosfato.

Nuleazione di apatitegli ioni silicato contenuti nei gruppi Si-OH rilasciati da CaO-SiO2-based glass sono adsorbite dalla superficie del substrato polimerico e su di esso inducono la nucleazione

Crescita dei nuclei di apatitei nuclei di apatite crescono spontaneamente formando uno strato denso ed uniforme attraverso il consumo di ioni calcio e ioni fosfato nel 1.5 SBF.

Lo strato di apatite che si forma è denso ed uniforme ed è tanto più spesso quanto maggiore è il tempo di permanenza in SBF

Lo spessore dello strato di apatite cresce linearmente col tempo di immersione nel 1.5 SBF

Pmma dopo 1 giornoin 1.5 SBF

Micrografie al sem

La velocità di crescità dello strato di apatite aumenta linearmente con la temperatura del secondo trattamento (esempio 1.7 m/giorno a 36.5ºC, 7 m/giorno a 70ºC), inoltre la velocità di crescità dello strato di apatite incrementa anche con la concentrazione di ioni del secondo trattamento a temperatura costante