BIOMATERIALI

n Prof. G. PARADOSSIn 6 CFU

nLibro di testo consigliato:“Introduction to Soft Matter”

Ian W. Hamley - Wiley

BIOMATERIALI

nUn po’ di definizioni

nBiomateriale:“Materiale progettato per interagire con sistemi biologici per valutare, trattare, incrementare o sostituire, organi o funzioni corporee”.(The Williams Dictionary of Biomaterials - D.F. Williams)

nBiocompatibilità: “Capacità di un materiale di essere utilizzato per una specifica applicazione ottenendo una risposta idonea dal sistema ospite” (The Williams Dictionary of Biomaterials- D.F. Williams)

Biomateriali – Introduzione - 1

n Sistema Biomateriale – Tessuto Biologico:

• Un biomateriale provoca nell’organismo in cui si trova ad operare una risposta biologica. A sua volta questa risposta dell’organismo innesca un processo che porta alla degradazione fisica o chimica del biomateriale stesso.

Biomateriali – Introduzione - 2

ORGANISMO

BIOMATERIALE

Risposta Azione

n Sistema Biomateriale – Tessuto Biologico:Non dobbiamo quindi considerare separati i due sistemi ma

parlare di una interazione reciproca.

La risposta difensiva dell'organismo deve perciò essere tenuta in considerazione quando si va a realizzare un qualunque biomateriale.

Biomateriali – Introduzione - 3

Usura Corrosione Calcificazione

nClassificazione dei biomateriali in base all’interazione con il tessuto

¨Biotossico → il tessuto a contatto con il materiale perde vitalità e muore.

¨Bioinerte → l'organismo forma un tessuto proteico fibroso (sacca proteica) di spessore variabile attorno al materiale.

¨Bioattivo → si ha la formazione di una interfaccia con connessioni tissutali tra materiale e tessuto biologico.

¨Biodegradabile → l'organismo è in grado di degradare il materiale, i cui prodotti devono essere non tossici, e di sostituire gradualmente il materiale.

Biomateriali – Introduzione - 4

nEsempi di biomateriali

I biomateriali possono essere di natura metallica, polimerica oceramica. Avranno ovviamente funzioni ed utilizzi diversi inbase alle loro proprietà, e non è raro che vengano utilizzati piùmateriali diversi al fine di ottenere un risultato piùperformante.

Biomateriali – Tipologie - 1

n Protesi medica composta da più materiali

Biomateriali – Tipologie - 1

Biomateriali – Tipologie - 2

Biomateriali – Tipologie - 3

n Il corso sarà incentrato sui SOFT MATTER, con particolare attenzione alle loro proprietà chimico-fisiche e alle possibili applicazioni biomedicali.

¨Con soft matter si definisce una varietà di stati fisici, facilmente deformabili se sottoposti a stress o fluttuazioni termiche.

Soft Matters - 1

¨I Soft Matters comprendono quindi un’ampia gamma di materiali:¨Colloidi;¨Polimeri;¨Cristalli liquidi;¨Schiume.

¨I polimeri sono il materiale più utilizzato nelle applicazioni mediche

Soft Matters - 2

nApplicazioni dei SOFT MATTER:Soft Matters - 3

1) Applicazioni Biomediche:

¨ Drug Delivery: Veicolatori di farmaci a rilascio controllato

¨ Agenti di contrasto per indagini di imaging: TAC, NMR, Molecular Imaging

¨ Ingegneria tissutale: Scaffold

Soft Matters - 4

2) Applicazioni Alimentari:¨Dispersioni di aria in un solido: foams (schiume), come la

panna.¨Emulsioni di un liquido in un liquido: gelatine, maionese, latte.¨Dispersione di un liquido in un solido: formaggi, e gelati.

nMateriali di partenza:¨Polimeri (in fuso o in gel)¨Sistemi Colloidali¨Sistemi autoassemblanti (micelle o sistemi micellari, i.e. il

sapone)

Soft Matters – Materiali - 1

Esempi di materiali polimerici per biomateriali:

Polisaccaridi:Molto abbondanti in natura, e quindi dal costo contenuto.

Polimeri di Sintesi:Non molto utilizzati in quanto necessitano di studi di biocompatibilità.

Proteine:Di difficile estrazione ma biocompatibili.

n Proteine:¨ Collagene¨ Fibrina¨ Gelatina¨ Albumina¨ Caseina¨ Fibrina della seta

Soft Matters – Materiali - 2n Polisaccaridi:

¨ Acido Ialuronico¨ Alginato¨ Agarosio¨ Cellulosa¨ Amido¨ Destrano¨ Chiyina¨ Xanthan Gum

n Polimeri di Sintesi:¨ PVA (poli vinilico)¨ PEG (Poli

etilenglicol)¨ PLA (Acido polilattico)¨ PHB (poli idrossi

butinato)

PLAAcido IaluronicoCollagene - Fibre

Soft Matters – Materiali - 3

nBiomateriali Polimerici

nBiostabili (PE, PP, PVC, PMMA, PTFE, PET, PEEK,..)

nBioriassorbibili (PGA, PLA, PGLA, PDS,…)

PGLA - Poly(lactic-co-glycolic acid)

PLA - Polilattato

PGA - Acido poliglicolico

PDS – Poli-p-diossanone

n La scelta idonea del materiale da utilizzare nella realizzazionedel dispositivo biomedicale è la principale problematica daaffrontare

n La MDD (Medical Device Directive), la direttiva europea chestabilisce e regola i dispositivi medici riporta:n “si dovrà considerare con particolare attenzione: la scelta

dei materiali utilizzati, in particolare da un punto di vistadella tossicità e dell’infiammabilità; la compatibilitàreciproca tra materiali utilizzati e tessuto, cellulebiologiche e fluidi corporei tenendo conto delladestinazione del dispositivo.”

Materiali e biocompatibilità - 1

n Materiali differenti oltre ad avere differenti proprietà meccanichehanno anche “debolezze” differenti.

n L’effetto provocato dall’organismo sul materiale sarà quindi diverso.Si avrà ad esempio corrosione sui materiali metallici, fenomenierosivi sulla fragile ceramica e reazioni chimiche con i polimeri.

Valvola meccanica, con componenti metalliche e polimeriche. Estremamente

resistente necessita di cure anticoagulanti per tutta la durata di vita dell’impianto.

Valvola con materiale biologico (derivante da altri organismi, quali ad esempio bovini). Non provoca coagulazione ma è molto soggetta a

calcificazione e ad infezioni.

Materiali e biocompatibilità - 2

n Materiali differenti oltre ad avere differenti proprietà meccanichehanno anche “debolezze” differenti.

n L’effetto provocato dall’organismo sul materiale sarà quindi diverso.Si avrà ad esempio corrosione sui materiali metallici, fenomenierosivi sulla fragile ceramica e reazioni chimiche con i polimeri.

Valvola prodotta con tecniche di ingegneria tissutale, decellularizzando una valvola cardiaca umana e rivitalizzandone la matrice extracellulare

(struttura polimerica reggente) con cellule staminali del paziente. Duratura, resistente a calcificazione e non favorisce la coagulazione.

Materiali e biocompatibilità - 2

TEST DI BIOCOMPATIBILITÁ

n È necessario conoscere l‘interazione di un materiale conl'organismo per poterlo utilizzare nella realizzazione didispositivi biomedicali. Un biomateriale deve essere perciòsottoposto con successo ad un protocollo di test, detti test dibiocompatibilità.

n Tali test possono essere eseguiti in vitro o in vivo e sisuddividono in 2 livelli.

n Il primo livello serve a stabilire la non tossicità, mentre ilsecondo verifica che l'organismo a contatto col biomaterialemantenga la sua normale funzionalità e vitalità.

Test di biocompatibilità – Introduzione - 1

nTest diversi per differenti tipologie cellulari:¨ Condroblasti → producono collagene per la ricostruzione della cartilagine¨ Osteoblasti → producono collagene per il tessuto osseo¨ Fibroblasti → cellula del tessuto connettivo (producono fattori per la crescita

tissutale)¨ Cellule Endoteliali → ricoprono i vasi del sistema circolatorio (funzione

protettiva)¨ Eritrociti → globuli rossi (trasportano ossigeno via emoglobina)¨ Leucociti → Globuli bianchi (azione protettiva contro i microorganismi esterni

• Granulociti → Cellule del sangue contenenti granuli (neutrofili, basofili)• Macrofagi → grandi cellule fagocite presenti nel sito di infiammazione

¨ Piastrine → frammenti cellulari ovali che provvedono al coagulo¨ Cellule giganti → macrofagi capaci di inglobare corpi estranei

Test di biocompatibilità – Introduzione - 2

09/03/20

n Tramite il saggio MTT si verifica la capacità dei mitocondricellulari (catalizzata dall’enzima succinato deidrogenasi) dieffettuare una riduzione di tale molecola, permettendo latrasformazione dell’MTT in sale di formanzano, di spiccatocolore viola.

n Tale test colorimetrico è effettuato mettendo a contatto lecellule con il materiale e confrontando tale campione con uncampione di cellule sane.

Test di 1° livello – Citotossicità - 2

09/03/20

n A contatto indiretto, tramite un film di AGAR (polimero costituito principalmente da unità di D-galattosio, usato come gelificante) oppure appositi filtri

Le cellule possono essere messe:n A contatto diretto con il campione

Test di 1° livello – Citotossicità - 4

nMorfologia: condizioni differenti da quelle ottimalipossono provocare modifiche morfologiche delle celle.Tramite analisi microscopica posso quindi distinguerecellule intossicate da cellule sane.

Test di 1° livello – Citotossicità - 5

Test di Citotossicità effettuato su cellule di ratto

Altri Test di 1° Livello:

¨Emotossicità: il materiale viene messo a contatto con iltessuto ematico e viene controllato se quest’ultimo vienedanneggiato. In particolare il contatto con il materiale nondeve provocare emolisi (processo di distruzione dei globulirossi) ne emocateresi (processo di distruzione che riguardatutte le cellule del sangue) in generale.

Test di 1° livello – Emotossicità

¨Genotossicità: si intende la capacità di una sostanza diindurre modifiche all'interno del DNA di un organismovivente.nTest di AMES: il materiale viene messo a contatto con

batteri del ceppo Salmonella typhimurium, e vengonosuccessivamente verificate eventuali mutazioni genetiche.

Color-enhanced scanning electron micrograph showing Salmonella typhimurium (red) invading cultured human cells

Profilerazione di salmonella typhimurium su AGAR

Test di 1° livello – Genotossicità - 1

Chromosome Aberration Test

nI batteri utilizzati per il test di AMES sono incapaci di sintetizzare un particolare amminoacido, l’istidina; non sono quindi in grado di sopravvivere in ambienti assenti di istidina. Eventuali mutazioni possono rendere tali batteri capaci di sopravvivere.

Test di 1° livello – Genotossicità - 2

nUn altro importante test di genotossicità è il test delMicronucleo. Eventuali agenti mutanti possono infattiprovocare anomalie durante la mitosi, con la formazionedi frammenti di DNA nel citoplasma, definiti“micronuclei”.

Test di 1° livello – Genotossicità - 3

¨Istotossicità: in questi test viene quantificata la tossicità delbiomateriale su determinati tessuti organici in vivo. Conistologia viene infatti definita la branca scienza che studia itessuti.¨ Il test viene eseguito solitamente effettuando un

impianto intramuscolare su cavia.¨ Questa tipologia di test risulta quindi essere lunga e

costosa.

Test di 1° livello – Istotossicità

nTest di 2° livello:nVengono effettuati solo se il materiale dimostra assenza di tossicità

in ognuno dei test di 1° livello

¨Citocompatibilità: la funzione specifica della cellula acontatto con il materiale viene analizzata. Si verifica quindiche non perda la funzionalità (ad esempio la produzione diparticolari proteine o ormoni).

¨Immunocompatibilità: L'organismo deve mantenere la suanormale capacità difensiva. Il contatto con il biomaterialenon deve quindi causare una condizione di ipersensibilità(risposte immunitarie eccessive), tantomenoimmunodepressione (risposte immunitarie deficitarie).

Test di 2° livello - 1

¨Emocompatibilità: Il sangue deve mantenere la sua funzione, in particolar modo la capacità di coagulare, senza né perderla né esprimerla in modo eccessivo. I materiali impiegati devono quindi poter restare in contatto con la corrente sanguigna per tempi prolungati senza provocare reazioni di intolleranza, senza rilasciare sostanze, senza subire modifiche, senza danneggiare i costituenti del sangue e soprattutto senza dar luogo a fenomeni trombogenici.

¨Al fine di limitare l’insorgenza di trombi si agisce su:¨Rugosità: il sangue coagula più rapidamente su superfici

rugose.¨Bagnabilità: il sangue coagula preferenzialmente su

superfici idrofobe.¨Carica Superficiale: il sangue coagula preferenzialmente su

superfici elettropositive.

Test di 2° livello - 2

¨Istocompatibilità: Come per la istotossicità si impianta il materiale nel tessuto e si verifica l’effettivo mantenimento delle sue funzioni. Test di istocompatibilità sono effettuati anche in casi di trapianti.

¨Analisi Strutturale: Si analizza la stabilità del materiale e si effettua una caratterizzazione cristallografica dell'interfaccia.

Test di 2° livello - 3

¨Infettività: Si analizza la crescita batterica sulla superficiedel materiale, controllando se esso ha una azione in gradodi favorire l'adesione e la crescita batterica.¨Si confronta sempre il risultato con un campione di controllo, in cui

si verifica la crescita batterica in assenza del materiale.

Test di 2° livello - 4

n Test Clinici: Se il materiale passa i test suddetti esso vienedichiarato compatibile, e si inizia la fase dei test clinici supazienti informati, previa, dove utile e necessaria, una serie ditest su cavie opportune.

Test Clinici

n Infiammazione & Infezione

n Quando un dispositivo biomedico viene inserito nell’organismo, il tessuto vivente reagisce alla presenza di questo corpo estraneo con una serie di fenomeni, definiti come host response. Tali risposte sono: rimarginazione del tessuto leso, azione immunitaria, azione di riconoscimento nei confronti del corpo estraneo. Le prime due si osservano nel caso delle lesioni (ad esempio nel caso di impianti). Sono comunque risposte mediate dal processo infiammatorio.

Infiammazione ed Infezione - 1

Infiammazione ed Infezione - 2

n In tale processo infiammatorio vengono eliminati o isolati gliagenti che hanno provocato la reazione.

n La sutura del tessuto leso avviene tramite coagulazione.

n La coagulazione è la risposta naturale dell’organismo inseguito ad una ferita.

n Le pareti dei vasi sanguigni sono infatti le uniche superfici nontrombogeniche, ossia sulle quali le piastrine non aderiscono.La presenza di qualsiasi altro corpo attiva le piastrine.

n L’attivazione piastrinica consiste in unamodifica conformazionale che fa si cheesse aderiscano alla superficie estranea.A tale adesione segue un’attivazionecellulare, che involve svariati processibiochimici, in seguito ai quali si ha:nReclutamento di altre piastrinen Formazione di un aggregato di

piastrinen Stabilizzazione di tale aggregato

(coagulo).

Infiammazione ed Infezione - 3

n Un coagulo risulta quindi essere unaggregato comprendente cellule eretto da una struttura fibrosa, unarete di fibrina.

n In seguito tale rete viene rimossagrazie ad un enzima, ed iniziaquindi il processo di rigenerazione.

n La mancata disgregazione delcoagulo, ed un suo distaccamentodalla parete portano allaformazione di un trombo, che entrain circolazione nel sangue e puòportare all'ostruzione di un vasosanguigno (embolia).

Infiammazione ed Infezione - 4

Infiammazione ed Infezione - 5

n Al processo di infiammazione segue il processo di rigenerazione. Tale passaggio è evidenziato dalla diminuzione di concentrazione nel tempo di Neutrofili, deputati all’attacco di particelle esterne (presenti in una fase iniziale), e dalla formazione di nuovo collagene, a significare la presenza di nuove strutture extracellulari e quindi la rigenerazione dei tessuti lesi.

n L’infiammazione è quindi un processo naturale NECESSARIO al processo di guarigione.

n L’infezione è invece il risultato della presenza di microrganismi che colonizzano il tessuto; va quindi EVITATA.

n Inserendo corpi estranei (ad esempio un biomateriale) nell’organismo vi è sempre il rischio di provocare un’infezione. In alcuni casi essa è inevitabile, come nell’impianto di un cuore artificiale, in cui un’infezione è sicura al 100% nell’arco di un mese (operazione spesso necessaria in attesa di trapianti).

Infiammazione ed Infezione - 6

n L’organismo umano inoltre tende ad eliminare gli oggettiestranei, erodendoli o fagocitandoli. Nel caso in cui taleoggetto sia di dimensioni grandi si può assistere allaformazione di cellule giganti polinucleate, formate dallafusione di più magrofagi.

Infiammazione ed Infezione - 7