Biomateriali

Lo sviluppo di biomateriali ha come obiettivo lottimizzazione dellefficienza funzionale in rapporto allambiente biologico, agli scopi terapeutici ed alle caratteristiche proprie del materiale.

Biocompatibilit

generale (citotossicit, carcinogenicit) specifica (in rapporto al tessuto es. sangue osso)

materiale dimensioni (< 10 m)

dispositivo

morfologica funzionale biologica (biocompatibilit)

Reazioni allinterfacciaVi la possibilit che la composizione chimica

superficiale possa cambiare completamente a seguito del contatto con i fluidi biologici e questo particolarmente vero nel caso dei materiali polimerici.

In aria In acqua

Ladesione di molti tipi cellulari, inclusi i batteri, i granulociti e gli eritrociti, in relazione con la tensione critica superficiale. Anche ladsorbimento di proteine,in particolare limmunoglobulina G correlato con lenergia superficiale.

Il sistema immunitario

Il sistema immunitario si evoluto per difendere i vertebrati dalle infezioni. I sistemi di difesa che si rinvengono fra gli invertebrati sono pi primitivi, affidandosi spesso principalmente alle cellule fagocitiche (macrofagi e i neutrofili)La capacit di distinguere le molecole estranee (non-self) da quelle proprie (self) un altro aspetto fondamentale del sistema immunitario.

Anticorpi e Rigetto

anticorpo: molecola proteica (gamma-globulina) prodotta in quantit notevole dai linfociti B in seguito allintroduzione di un antigene ed in grado di interagire specificatamente con esso

gene: tratto di DNA che funziona come unit geneticaantigene: sostanza capace di generare una risposta immunerigetto: reazione dellorganismo nei confronti di un tessuto o di un organo trapiantato secondo le leggi del sistema immunitario

Biomateriale e risposta immunitaria

Non esistono casi riconosciuti di attivazione della risposta immunitaria specifica da parte di biomateriali.

Un biomateriale sintetico non pu avere funzioni di antigene n essere riconosciuto come tale.

Tuttavia lattivazione della risposta immunitaria pu avvenire a seguito diopsonizzazione della superficie del biomateriale. Anticorpi rivestono (opsonizzano) limpianto ed attivano la risposta macrofagica e quindi linfiammazione, favorendone la fagocitosi. Il termine opsonizzare deriva dal greco e significa preparare ad essere mangiati. Il rivestimento di anticorpi sulla superficie rende un antigene fagocitabile con molta maggiore efficacia.

risposta non specifica

Linee di difesa contro microorganismi:1. Tessuti2. Fagocitosi risposta infiammatoria locale3. Attacco di macrofagi nelle vie linfatiche e nei linfonodi4. Attacco di neutrofili e monociti nel torrente ematico5. Attacco di macrofagi tissutali

Reazione infiammatoria

Complesso di fenomeni reattivi e difensivi (vascolari, umorali, tissutali, con i quali lorganismo risponde ad insulti patogeni (meccanici, chimici, radianti, infettivi).Provoca ingrossamento delle linfoghiandole regionali, con processi di degenerazione e necrosi delle cellule.

La riparazione fisiologica successiva ad un danno tessutale o ad un generico atto chirurgico, ivi compreso limpianto di un dispositivo o protesi, segue un processo caratterizzato inizialmente da una reazione flogistica (infiammatoria) non infettiva e, successivamente, da una proliferazione di tessuto connettivale che tende a ripristinare lintegrit tessutale.

Reazione da corpo estraneoA. Linfiammazione acuta di breve durata, da minuti a giorni, consiste nellessudazione di fluidi e proteine plasmatiche (edema) e migrazione di leucociti (soprattutto neutrofli). Linfiammazione cronica dipende dalle propriet chimico-fisiche del materiale e dai movimenti dellimpianto; in genere di breve durata e rimane circoscritta al sito di impianto. Richiama monociti/macrofagi e linfociti. Si ha neovascolarizzazione e proliferazione di tessuto connettivo.

B. La reazione da corpo estraneo con sviluppo di tessuto di granulazione considerata la risposta normale di integrazione dellimpianto di materiali. Si ha proliferazione di fibroblasti e cellule endoteliali, seguita da cellule giganti (FBGC - foreign body giant cell ).

C. La fibrosi o lincapsulazione fibrotica rappresenta in genere lultimo stadio della risposta infiammatoria

Fagocitosi

Molte cellule hanno una elevata capacit di eliminare sostanze e corpi estranei per pinocitosi o fagocitosi, che nellinsieme sono indicati come endocitosi. Nella pinocitosi vengono assunte gocciole di liquido insieme ai soluti e a macromolecole o piccole particelle. La fagocitosi generalmente consente lassunzione di particelle di diametro superiore a 0.5 m, per necessario che le particelle si attacchino alla superficie della cellula fagocitica prima di essere assunte allinterno della cellula stessa.

MacrofagiI macrofagi hanno una elevata attivit di pinocitosi e di fagocitosi.Una volta attivata la cellula, la superficie della membrana plasmatica si solleva in numerose pieghe e estroflessioni digitiformi (protrusioni, filamenti, pseudopodi) che prendono parte ai fenomeni di espansione (spreading), di fagocitosi e di movimento cellulare.Nella reazione a corpi estranei e a certe infezioni batteriche i macrofagi si fondono, formando cellule giganti che possono avere 20 o pi nuclei.

pH < 5

> Rilascio ionico

Il processo riparativo

Il processo riparativo pu coinvolgere 2 distinti aspetti : rigenerazione (sostituzione del tessuto danneggiato

con cellule dello stesso tipo) sostituzione con tessuto connettivo della capsula

fibrotica (influenza stato di sollecitazione).La perfetta guarigione comporta la restituzione della

struttura normale e non il persistere della capsula fibrotica.

Rilascio di prodotti tossici

prodotti chimici localmente tossici

impianti con propriet antigenichedanno immunologico

Infezione e setticemia

Infezione:penetrazione nellorganismo di agenti unicellulari (batteri, funghi, protozoi) di virus o di altri organismi intermediSetticemia:infezione generalizzata provocata dallingresso e dalla moltiplicazione di microorganismi nel sangue

Sterilizzazione e Asepsi dispositivi/ambiente

Allergia

Complesso di reazioni immunitarie a sostanze estranee (allergeni) che non hanno azione tossica lorganismo. Vengono prodotti particolari anticorpi (immunoglobulineIgE) che si fissano sulla membrana di particolari cellule (mastociti) che contengono sostanze farmacologicamenteattive (istamina).Il contatto fra allergene e mastocita provoca la liberazione di istamina che comporta aumento della permeabilit dei vasi sanguigni e contrazione delle fibre muscolari lisce specie nei bronchi

Affidabilit

Dipende da: tempo posizione funzione

Laffidabilit globale pari al prodotto delle singole affidabilit

)(1)( iIiA =

ng AAAAA ...321 =

FASI SVILUPPO BIOMATERIALI

Sostitutiva: notevole uso di leghe metalliche (es. in titanio) concentrazione sulla funzionalit da sostituire e valutazione empirica della biocompatibilit;Ricostruttiva: supporto al recupero della funzione perduta con utilizzo di scaffold in materiali il pi possibile porosi e biocompatibili (polimeri per ricostruzione tessutale, ceramici per ricostruzione ossea);Rigenerativa: biocompatibilit naturale di strutture assemblantesi in modo gerarchizzato (materiali naturali).

Materiali smart

Applicazioni: sistemi di trasporto di cellule o farmaci (carrier) sistemi di supporto per la rigenerazione di tessuti e organi

(in vitro e in vivo) materiali biomimetici materiali intelligenti (ad interazione programmata)

Materiali che rispondono con una variazione significativa di una propriet sotto lapplicazione di una driving force esterna.Sistemi in grado di rispondere a variazioni di: - pH - temperatura - concentrazioni enzimatiche - sollecitazioni meccaniche

Materiali smart Materiali smart

materiali a memoria di forma materiali piezoelettrici materiali elettroattivi fluidi elettroreologici

Materiali a memoria di forma

capacit di un materiale di essere deformato in una forma temporanea e di ritornare alla sua forma originale in appropriate condizioni

metallici polimerici

caloreluceagenti chimici

Leffetto di memoria di forma pu essere controllato da:

Materiali a memoria di forma

Programming Recovery

permanentshape

temporaryshape

permanentshape

polimeri a memoria di forma Applicazioni SMPmateriale per occlusione di aneurismi mini-invasivit; elevato recupero della deformazione

inelastica (fino a 400%)

variazione della permeabilitin funzione della temperatura

Applicazioni SMPFili di sutura in SMP biodegradabile minore invasivit nella chirurgia mini-invasiva procedura di sutura semplificata giusta tensione del filo nel corpo umano

Sistemi di rimozione di coaguli tecnica chirugica mini-invasiva attivazione mediante laser

Applicazioni SMP

endoprotesi vascolari (stent)

Applicazioni SMP

Fili per ortodonzia

Lenti a contatto

Applicazioni SMP

Sistemi di rilascio di biomolecole in SMP

biodegradabile

mnemoBeadsmnemoBeadsKeratinocytes

Shape Memory

HEK-Sheet

Microsfere in SMPCarrier di cellule in SMP per la separazione di cellule e il possibile rilascio di sostanze bioattive indotta dalla degradazione del polimero e/o dalleffetto di memoria di forma

ec.europa.eu/.../mnemoscience_engl2.ppt

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materiali polimerici piezo(piro)elettrici polimeri piezo(piro)elettrici - applicazioni biomediche

polimeri conduttori polimeri conduttori

Fluidi magnetoreologici Fluidi elettroreologici