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Ultimo aggiornamento
10 Settembre 2012


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Biomateriali: l’importanza dell’applicazione medica




Nel 1982 il National Institutes of Health (NIH) ha definito i biomateriali come "ogni sostanza o combinazione di sostanze, diverse dai farmaci, d'origine sintetica o naturale, che può essere impiegata per qualsiasi periodo, da sola o come parte di un sistema che tratta, aumenta o sostituisce un qualsiasi tessuto, organo o funzione del corpo". Successivamente nel 1992 l'esperto internazionale di biomateriali ed ortopedia Prof. J. Black, già presidente della Society for Biomaterials (USA) e fondatore della società di consulenza IMN Biomaterials propone una nuova definizione di biomateriale: ".....materiale non vivente usato in un dispositivo medico, progettato per interagire con i sistemi biologic...". E questa importante affermazione sancisce il passaggio concettuale da una visione passiva ed inerte del biomateriale ad una attiva che presuppone un'interazione temporale con l'organismo condividendone l'evoluzione e il destino. I biomateriali sono frutto della collaborazione fra diverse discipline: chimica, medicina, farmacologia, biologia e ingegneria, finalizzata alla realizzazione nuovi dispositivi atti a ripristinare forme e funzioni dell'organismo umano. Gli studi sui biomateriali riflettono il costante bisogno dell'uomo di sostituire od integrare tessuti ed organi, compromessi dal punto di vista funzionale e metabolico o danneggiati da eventi patologici o traumatici. Dopo un continuo susseguirsi di tentativi sperimentali che risalgono agli albori della medicina, soltanto negli ultimi decenni è stato possibile raggiungere significativi ed importanti risultati grazie non solo alle raggiunte conoscenze fisiche chimiche e biologiche dei materiali, ma anche per la messa in atto di innovativi processi di sintesi di questi stessi materiali. Le applicazioni dei biomateriali sono cresciute in maniera esponenziale e grazie alle innovazioni realizzate, la sopravvivenza o la restituzione di funzionalità di parti compromesse dell'organismo sono assicurate ad un numero sempre maggiore di pazienti.

L'aumento dell'età media porta inevitabilmente ad una maggior "usura" del nostro corpo , una "macchina" che necessita di sempre maggiori cure con l'avanzamento dell'età ed anche di significative sostituzione dei "componenti" logorati. Nel 2050 si prevede che il 29% della popolazione europea sarà sopra i 60 anni e questo ha fatto si che la Comunità Europea individuasse nei biomateriali un settore di ricerca strategico per la salute umana. Le peculiarità dei biomateriali impiegati in campo medico sono valutate in base alla loro biofunzionalità e biocompatibilità. La biofunzionalità si riferisce alle proprietà che un dispositivo deve avere per riprodurre una determinata funzione dal punto di vista fisico e meccanico; la biocompatibilità, invece è la capacità del materiale di integrarsi nel tessuto-bersaglio senza causare reazioni di rigetto o in qualsivoglia modo nocive all'organismo. Comunque il concetto di biocompatibilità è assai relativo poiché dipende non solo dalle caratteristiche e dalle proprietà dei materiali e dai dispositivi impiantati, ma anche delle condizioni dell'organismo ospite, quali: il tipo di tessuto, il luogo di impianto, l'età, il sesso, le condizioni generali di salute, il regime farmaceutico e la tecnica chirurgica. Vari studi hanno dimostrato che l'impiego di materiali inerti, che non innescano cioè alcuna reazione nell'organismo ospite né di rifiuto né di riconoscimento, non hanno portato a buoni risultati. È stato ampiamente accertato che nessun dispositivo che non stimoli un'incorporazione ed un riconoscimento da parte del tessuto interessato, può assicurare la stabilità delle sue prestazioni in un tempo prolungato. Gli studi più recenti sono pertanto rivolti all'impiego di materiali cosiddetti "bioattivi. Le interazioni biomateriale/tessuto debbono però soddisfare alcune importanti condizioni: quali l'assenza di capacità immunogena e di tossicità, l'incapacità di evocare reazioni da corpo estraneo, l'inerzia nei confronti dell'aggregazione piastrinica sulla superficie dei materiale stesso.


Un biomateriale può essere, a seconda del campo d'applicazione, biodegradabile, quindi sostituibile da strutture proprie dell'organismo in grado di autogenerarsi, in questo caso il biomateriale svolge un ruolo di aiuto provvisorio e temporale che viene a cessare via via che il tessuto si rigenera. Quando invece il biomateriale svolge un ruolo permanente è destinato a sostituire perennemente la struttura o la funzione di un tessuto o di un organo. Oggi la tendenza è quella di evitare protesi perenni sostituendole il più possibile con biomateriali degradabili nel tempo. È così ad esempio che materiali non riassorbibili, quali i metalli, ampiamente utilizzati in chirurgia maxillo-facciale sono stati sostituiti da polimeri biodegradabili aventi la proprietà di indirizzare "nello spazio e nel tempo" la ricostruzione dei tessuti.

Gli impieghi dei biomateriali sono tra i più disparati e oggetto di costante ricerca per migliorarne le prestazioni. Le sostituzioni articolari ad esempio richiedono particolari caratteristiche meccaniche; minor interferenza possibile nella trasmissione dei carichi, resistenza allo scorrimento plastico, basso coefficiente di attrito ed alta resistenza all'usura, i materiali utilizzati spaziano da polimeri sintetici biocompatibili a materiali derivati dal corallo, all'utilizzo di tessuti ossei naturali omologhi ed eterologhi, fino ad arrivare ai più avanzati bioceramici e compositi ceramico-polimero, con risultati clinici notevolmente migliorati rispetto al passato, sia in termini di durata che di biocompatibilità e funzionalità. Ma la ricerca continua orientandosi soprattutto verso lo sviluppo di materiali ceramici e compositi bioriassorbibili con superiori capacità di osteointegrazione, come le idrossiapatiti biomimetiche pluri-sostituite e i compositi tra ceramico e proteine naturali (collagene, alginato, ecc). Altra categoria di biomateriali di importanza fondamentale comprende quelli che servono come condotti per il flusso sanguigno, o che comunque devono rimanerne a stretto contatto con esso. L'interazione sangue/biomateriale è tra e più complesse e studiate. La progettazione infatti deve tenere conto dei potenziali effetti legati all'adsorbimento delle componenti del sangue (proteine, lipidi, calcio) sulla superficie, così come l'adesione di cellule e componenti cellulari. I rischi per la salute del paziente vanno considerati sulla base delle caratteristiche di un tessuto dinamico e fondamentale come il sangue; il nuovo materiale se non integrato correttamente potrebbe infatti dare origine a diversi problemi per lo più molto gravi: un processo di coagulazione e fibrinolisi e l'attivazione di una risposta del sistema immunitario, la formazione di trombi (coaguli) sulla superficie, la produzione di emboli che allontanandosi dalla superficie del materiale e circolando nel sistema, potrebbero occludere vasi anche ad una certa distanza e non ultima l'aumento del volume del tessuto del vaso oggetto dell'impianto (iperplasia) che poterebbe occludere il vaso riducendo il flusso ematico.

Patologie come stenosi (restringimento del diametro dell'arteria causato dalla crescita della placca aterosclerotica o dalla formazione di un coagulo) o aneurismi (allargamento dell'arteria causato da cedimento progressivo della parete vascolare) rendono necessario l'inserimento di una protesi vascolare interna al vaso arterioso altre come il bypass della creazione/sostituzione di un intero vaso. Qualora non fosse possibile un auto innesto da parte di un altro vaso (di solito la vena safena) si ricorre alle protesi vascolari. Le protesi vascolari fabbricate con tessuto poliestere (DACRON®, polietilentereftalato) sono le più usate nella chirurgia vascolare periferica per la sostituzione di vasi di medio e largo calibro danno un follow-up di oltre 15-20 anni. La forma espansa del PTFE (Goretex®, Impra®, ecc.) è ampiamente utilizzata come sostituto di arterie di medio calibro (fino a 6-7 mm) dimostra una bassissima incidenza di trombosi ed iperplasia. Nuovi materiali testati sono poliuretani, siliconi e poliuretani-siliconi. Altro esempio sono le macchine "cuore-polmone" utilizzate nei bypass cardiopolmonari, pompano il sangue deossigenato del paziente attraverso un ossigenatore; il sangue torna poi ossigenato al circolo arterioso by-passando il polmone. Queste macchine rendono possibili gli interventi a cuore aperto, l'ossigenazione di pazienti in condizioni di crisi respiratoria grave, e mantengono in vita un paziente con traumi severi al cuore o ai polmoni. Negli ossigenatori il sangue entra in contatto con la superficie di diversi materiali: tubi, sacche, fibre, piatti, etc.. Inoltre, il sangue subisce forti stress di ordine meccanico per azione delle pompe, deve essere mantenuto alla corretta temperatura e deve essere ovviamente ossigenato senza produrre danni alle cellule. In questo settore è di particolare importanza la ricerca di materiali innovativi tali da ridurre ulteriormente i danni conseguenti al contatto tra il sangue e le superfici sintetiche.

Ma molte altre sono le applicazioni dei biomateriali: il riempimento di cavità ad esempio utilizzato principalmente nella chirurgia estetica garantendo il mantenimento delle caratteristiche funzionali delle parti del corpo coinvolte.

Fino a poco tempo fa i danni al sistema nervoso centrale erano considerati irreparabili, oggi i progressi della ingegneria tissutale hanno aperto nuovi orizzonti e vi sono molte società che stanno sviluppando cellule staminali neurali per la rigenerazione di tessuti muscolari ossei ed in futuro nervosi. Un grande problema da risolvere è quello di creare un'interfaccia che sia compatibile con il normale ambiente cellulare. Per questo si stanno sviluppando supporti biocompatibili (scaffolds) che non costituiscano solo un supporto fisico, ma regolino proliferazione differenziaione e morfogenesi degli elementi cellulari che vi verranno inseriti.
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