Scienza e Tecnologia dei Biomateriali

Corso Laurea in

Ingegneria Medica

9 CFU

Prof. Alessandra Bianco

Dipartimento di Ingegneria Industriale

a.a. 2012-2013

Lunedì 11:30-13:00 Aula B16

Martedì 9:30-11.00 Aula B16

Giovedì 14:00-15:30 Aula B16

Orario delle lezioni

Testi consigliati

(2) Biomaterials Sience: an Introduction to Materials in Medicine, Buddy D. Ratner, Allan S. Hoffman, Frederick J. Schoen, Jack E. Lemons, Academic press

(1) Scienza e Tecnologia dei Materiali W. F. Smith, Mc Graw-Hill (nuova edizione)

Materials, Engineering, Science, Processing and Design, Asby Kluwer Academic/Plenum Publishers

Struttura e proprietà dei materiali metallici, A. Cigada T.Pastore, McGraw-Hill

Biomateriali per protesi ed organi artificiali, R Pietrabissa, Pàtron Editore

Biomateriali, A. Cigada, R. Contro, C. Di Bello, M. C. Tanzi, Patron Editore

The Williams Dictionary of Biomaterials, D. F. Williams, Liverpool University Press

The Biomedical Enginnering Handbook,J. D. Bronzino (CRC Press)

Integrated Biomaterials Science, Kluwer Academic/Plenum Publishers

Altri testi ….

Orario ricevimento

Edifici Sogene

Dipartimento Scienze e Tecnologie Chimiche

livello 1, settore 6, stanza 9

Cosa è un “materiale”?

• “Aggregato di atomi, ioni o molecole che, grazie alla

presenza di legami interatomici e/o intramolecolari è in

grado di opporre una reazione a stimoli chimici, fisici e

alle sollecitazioni meccaniche, tale da consentirne

l’impiego per la fabbricazione di oggetti, strutture e

dispositivi utili all’uomo.”

Struttura e proprietà materiali metallici, A. Cigada e T. Pastore, McGraw-Hill

Perché “Scienza e tecnologia dei materiali”?

“Engineers make things. They make them out of

materials. To make something out of a material you

also need a process. Not just any process, the one

you choose has to be compatible with the material

you plan to use. Compatibility between material and

processing is not easily found. The aim is to provide

a methods and tools to choose a durable union

between the universe of materials and the universe

of processes.”

Materials Engineering, Science, Processing and Design M. Ashby

“A process is a method of shaping, joining or finishing a material.

There are hundreds of them. It is important to choose the right

process-route at an early stage in the design before the cost-penalty

of making changes becomes large.

The choise, for a given component, depends on the material of which

it is to be made, on its shape, dimensions and precision and

how many are to be made, in short, on the design requirement.”

Cosa è un “processo”?

Materials Engineering, Science, Processing and Design M. Ashby

Scienza e Tecnologia dei Materiali

Struttura Proprietà

Classificazione dei materiali solidi

•Metalli

•Ceramici

•Polimeri

•Compositi

Famiglie di materiali

La tassonomia del “regno” dei materiali

Quali sono le proprietà dei materiali?

• Proprietà meccaniche

• Proprietà termiche

• Proprietà elettriche, magnetiche ed ottiche

• Proprietà chimiche

Scienza e tecnologia

dei biomateriali

Materiale

Biomateriale

?

Biomateriale

“Materiale progettato per interagire con sistemi

biologici per valutare, trattare, incrementare o

sostituire tessuti, organi o funzioni corporee”.

The Williams Dictionary of Biomaterials, D. F. Williams, Liverpool University Press

Consensus Conference, Chester, UK, 1991

Boris Karloff, Frankenstein 1931

Storia della definizione di Biomateriale

The 6th Annual International Biomaterial

Symposium, 1974

“Biomateriale è una sostanza inerte, sia

nei confronti dell’organismo che dal

punto di vista farmacologico, progettata per

essere impiantata o incorporata in un

sistema vivente”.

Egizi, Etruschi, Greci, Romani, Cinesi ed Aztechi

denti d'oro, suture con crine di cavallo, occhi di vetro

‘40: applicazione cemento in odontoiatria a base di PMMA

’40-’50: lenti intraoculari PMMA (IOL)

‘50-’60: protesi vascolari Dacron

‘60: protesi d'anca cementata (PE , acciaio inox, PMMA)

‘50-’70:protesi mammella (silicone)

’60-’70: ventricoli (LVAD) e cuore aritificiale

‘70: introduzione termine biomateriale

1975: fondazione Society for Biomaterials

‘70-’80: suture bioriassorbibili PLA

‘80-’90: impianti dentali osteointegrati di titanio, biovetri,

testine femorali e coppe acetabolari di allumina

Mummia egizia alluce di legno.

Impianti dentali di conchiglia

(Maia)

Classificazione dei biomateriali in base alla natura chimica

Barbucci R. (1994)

Altre classificazioni dei biomateriali

Scienza dei Biomateriali

“Studio della struttura e delle proprietà dei biomateriali,

dei meccanismi con cui essi interagiscono con i sistemi biologici

e loro prestazioni cliniche”.

The Williams Dictionary of Biomaterials, D. F. Williams, Liverpool University Press

Mercato mondiale ed europeo dispositivi medici

Nel 2000 fatturato a livello mondiale 160 miliardi di euro; Europa 39 miliardi di euro

Import-export dispositivi medici in Europa

Principali dispositivi clinici ortopedia

protesi articolari

sistemi di fissaggio di fratture

cemento per ossa

tendini e legamenti artificiali

….

odontoiatria

implantologia

endodonzia

ortodonzia

odontoiatria conservativa

….

cardiovascolare

innesti vascolari

valvole cardiache

ossigenatori

pacemaker

stent intravascolari

filtri cavali

…..

oculistica lenti a contatto (LaC)

lenti intraoculari (IOL)

…..

molti altri…

Lenti intraoculari 1,5 milioni

Lenti a contatto morbide 4 milioni

Lenti a contatto usa e getta 9 milioni

Lenti a contatto rigide gas-permeabili 2,5 milioni

Innesti vascolari 250 000

Valvole cardiache 45 000

Pacemakers 460 000

Sacche per il sangue 30 milioni

Protesi mammarie 540 000

Cateteri 200 milioni

Ossigenatori 500 000

Protesi articolari ginocchio 520 000

Protesi articolari anca 100 000

Numero di impianti per anno (USA)

Funzioni principali Salernitano E. (2002)

trasferimento carico

capacità articolare

riempimento cavità

controllo flusso sanguigno

generazione ed applicazione di stimoli elettrici

correzione funzione visiva

dispositivi di rilascio farmaci

rigenerazione tessutale guidata

Impianti cardiovascolari

Ossigenatore

Chiusure sternali

Valvole cardiache meccaniche

a ba b

Valvole cardiache biologiche

porcina pericardio bovino

umana decellularizzata

ripolata con staminali del ricevente

Valvola cardiaca transcatetere

Pacemaker

Innesti vascolari

A. IMPRA ePTFE

Cardiovascular Patch

B. Venaflo ePTFE

Vascular Graft

C. IMPRA Flex ePTFE

Vascular Graft

D. IMPRA CenterFlex

ePTFE Vascular Graft

E. IMPRA stepped

ePTFE Vascular Graft

F. IMPRA Carboflo Flex

Small Beading ePTFE

Vascular Graft

G. IMPRA Flex Tapered

Small Beading ePTFE

Vascular Graft

H. IMPRA Flex Thinwall

Small Beading ePTFE

Vascular Graft

I. BARD PTFE Felt

J. BARD Albumin

Coated Graft (ACG)

K. Bard Large

Diamenter Polyester

Vascular Graft

L. IMPRA EndFlex

ePTFE Vascular Graft

M. BARD Polyester

Fabric

Stent intravascolari

Impianti

per

ortopedia, odontoiatria e maxillofacciale

Cemento

Acrilic bone cement in Orthopaedic Surgery (1970)

Dispositivi di osteosintesi

Stelo femorale

Testina

cemento PMMA

(A)Wear performance of PEEK composites and historical, gamma-air sterilized UHMWPE in a cylinder-on-flat (knee-like) wear

simulator;

(B) Wear performance of PEEK composites and historical, gamma-air sterilized UHMWPE materials in a hip simulator.

Image provided courtesy of Exponent, Inc..

Implantable-grade PEEK carbon fiber composite in combination

with a metal insert has been used to create a unique elastically tailored

prosthetic hip capable of withstanding high loads for many millions

of cycles

Protesi articolare d’anca

•leghe di titanio

•leghe di cobalto

•acciaio inox

•allumina (Al2O3)

•zirconia (ZrO2)

•ZTA (Al2O3/ZrO2)

•polietilene (UHMWPE)

•Rivestimenti (Hap)

coppa acetabolare

testina

stelo femorale

Protesi articolare di ginocchio

componente

femorale

componente

tibiale

piatto

tibiale

Distanziatori intervertebrali

idrossiapatite

(A)CF-PEEK Brantigan spine fusion cage, image provided courtesy of Invibio; (B) Lateral radiograph of

a Brantigan cage with a solid fusion, image provided courtesy of Depuy Spine. Note that the Brantigan

cage has tantalum microspheres for visualization on radiographs.

Riempitivi per difetti ossei

Biosteon™ (HA/PLLA) Wedge Interference Screws

(25% HAp, 75% PLLA)

Compositi bioriassorbibili

Impianto dentale subperiosteale

Radici dentali

Impianti oftalmici

Lenti intraoculari (IOL) Lenti a contatto (LaC)

1920-1970 dispositivi

1970-2000 biomateriali

2000 - ingegneria dei tessuti

2012 - terapia genica

“Campo multidisciplinare che applica i

principi dell'ingegneria e delle scienze della

vita per la realizzazione di sostituti biologici

in grado di ripristinare, mantenere o migliorare

le funzioni di tessuti o organi”

(National Science Foundation Workshop (1988))

Definizione

Ingegneria dei tessuti

http://biomed.brown.edu/Courses/BI108/BI108_2007

_Groups/group12/tissue02.avi

Ingegneria dei tessuti

Vescica

Epidermide

Terapia genica

Identificazione di un gene

Isolamento di un gene

Inserimento in un vettore

Introduzione in un ospite per amplificare il

gene