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