Materiali Biomimetici
Materiali biomimetici
La necessità di rimpiazzare tessuti o organi non
funzionanti ha stimolato la ricerca di sostituti
d’organo e di protesi.
Questi ultimi devono soddisfare una serie di
requisiti che riguardano aspetti meccanici
biologici e chirurgici
• Devono sostenere dei carichi
• Devono minimizzare l’usura e l’attrito
• Devono evitare l’insorgere di reazioni dannose
per l’organismo
La sostituzione di un capo articolare con
componenti artificiali risale all'inizio del 1900.
La prima protesi fu realizzata da Smith-Petersen
con materiale non biologico: vetro, metallo,
derivati della celluloide
Evoluzione dei biomateriali
da utilizzo esclusivamente protesico a
funzione di interazione biologica.
Legno
metalli
Ceramici, metalli e polimeri
informativi
biomimetico = intelligente
• Il biomateriale deve essere
immunologicamente inerte
• dopo l’integrazione il biomateriale deve
essere sostituito dal tessuto originario
• il biomateriale deve scambiare segnali
con le cellule dell’ospite
Storicamente metalli e polimeri sono stati i
primi materiali ad essere usati nelle protesi
chirurgiche. Con il passare del tempo ci si è
dovuti confrontare con due grossi
problemi:
• alta velocità d'usura che può tradursi
nella rottura dell'impianto o dell'osso;
• bassa compatibilità.
I ceramici furono presi in considerazione
per applicazioni biomediche come ultimo
gruppo di materiali. Ci furono due grosse
ragioni per le quali si trascurarono i
ceramici come materiali da innesto
• I ceramici tecnici non sono molto puri
quindi la biocompatibilità era dubbia
• ed in particolare sono tutti limitati in
resistenza rispetto agli altri materiali.
Nascita dei bioceramici
• diversi ceramici furono migliorati in
purezza e resistenza
• ceramici furono scoperte nuove proprietà
meccaniche favorevoli come la resistenza
all’usura e una bassa frizione
• fu scoperto un comportamento attivo, il
quale conduce a un legame con il tessuto
circostante o a degradazione e
conversione in osso.
Come progetta la natura ?
L’evoluzione naturale ha permesso la
realizzazione di materiali biologici con
prestazioni meccanico strutturali
straordinarie a cui gli analogi sintetici
devono tendere
Fraz vol inorganica Modulo
(%)
(Gpa)
Osso
Corno
Ostrica
41
31
95
Madreperla 0
Smalto
92
Dentina
48
16
7.7
73
45
12
Sforzo
(Gpa)
Lavoro di frattura
(J/ m 2)
270
179
167
25-80
76
250
1700
6200
464
100-1000
200
550
Proprietà di ceramici biologici
La natura nell’evoluzione biologica ha
ottimizzato la microstruttura di ogni
tessuto sulla base di ogni specifica
funzione fisiologica.
Gli organismi viventi costruiscono
scheletri mineralizzati da 550 milioni
di anni, i biominerali conosciuti finora
sono circa 80 e appartenenti a tre
gruppi
• Fosfati di calcio
• carbonati di calcio
• silice (opale)
Struttura e funzione dei tessuti
biologici
Tutti i tessuti biologici sono strutture
composite spesso a comportamento
anisotropo e viscoelastico, costituite da
diversi componenti che interagendo fra di
loro conferiscono le necessarie proprietà.
Ossa
Le ossa hanno una funzione di sostegno
meccanico del corpo umano e di
regolazione motoria.
Strutturalmente sono costituite da
• una miscela di collagene, soffice ma
tenace
• materiale molto rigido ma ancora fragile
(apatite)
I bioceramici possono essere divisi in tre
gruppi caratterizzati dal loro
comportamento negli ambienti biologici
• Ceramici bioinerti
• Ceramici biodegradabili
• Ceramici bioattivi
ceramici bioinerti
ceramici-Al2O3, MgO, ZrO2, Si3N4, SiC, e Si-Al-ON
• alta densità,
• alto modulo di Young’s
• buona durezza
bioceramici inerti usati in impianti che espletano
funzione portante, in modo particolare in protesi d’anca
e di ginocchio
Vantaggi e svantaggi
• Il vantaggio dei materiali porosi inerti è
la crescita interna del tessuto nei pori.
L’interfaccia è rappresentata da un
tessuto vivente nei pori.
• La limitazione, è che i pori siano grandi
tra 50 e 150 µm. , altrimenti si avrebbe
una diminuzione della resistenza del
materiale proporzionalmente alla sua
frazione di volume.
Ceramici biodegradabili
• alto grado di solubilità il quale porta ad
una graduale degradazione e
riassorbimento da parte dei tessuti
circostantisi é osservato, in alcuni casi,
una trasformazione totale del materiale
in osso vivente
• Sono progettati per degradare
gradualmente dopo un periodo di tempo
ed essere sostituiti da un tessuto naturale.
Vantaggi e svantaggi
• Sono progettati per degradare
gradualmente dopo un periodo di tempo
ed essere sostituiti da un tessuto naturale.
• Lo svantaggio è che la loro velocità di
riassorbimento è confrontabile con la
velocità di riparazione dei tessuti
corporei
Ceramici bioattivi
• Vetri bioattivi (bioglass)
• Vetro-ceramiche bioattive (Ceravital, A-W)
• Idrossiapatite
I materiali bioattivi formano un legame all’interfaccia
con il tessuto adiacente. Tuttavia, il tempo per far
avvenire il legame, la forza, il meccanismo e lo spessore
della zona differiscono per i vari materiali.
BIOVETRI
Il professor Larry Hench li scoprì nel 1969
presso l’Università della Florida a Gainesville.
Il biovetro è una ceramica vetrosa composta
da :
• Biossido di silicio (45%)
• Ossido di sodio (24.5%)
• Ossido di calcio (24.5%)
• Pentossido di fosforo (6%)
Sodio, silicio, calcio e fosforo sono minerali
normalmente esistenti nell’organismo.
Il biovetro possiede la caratteristica della
bioattività, ovvero la capacità di sviluppare
un legame con le strutture organiche
costituenti il tessuto connettivo e il tessuto
osseo (fibre, collagene) e di indurre la
mineralizzazione di quest’ultime con
l’attivazione delle cellule formative
dell’osso (osteoblasti)
Risultati di studi sull’impiego di HAP per
rivestire metalli porosi hanno aperto la
strada alla fissazione senza cemento delle
protesi ortopediche.
Formazione di apatite ossea,
biologicamente attiva su un
substrato:
• Ceramico
• Polimerico
• Metallico
Crescita di apatite ossea su substrato
ceramico
•Ceramico A-W con
•matrice MgO-CaOSiO2glassy
•10 giorni in SBF
Quando il biovetro viene inserito nei tessuti viventi, si
sviluppa molto rapidamente uno strato di osso naturale
• Si forma uno strato di gel ricco di silicio
sulla superficie del materiale grazie agli
H3O+ in SBF
• Nella parte superiore del hidrogel si
deposita uno strato ricco di calcio e fosforo,
provenienti dal calcio e dal fosforo
costituenti del biovetro e dell’organismo,
(idrossiapatite)
• Il risultato finale è la rapida stimolazione
alla ricrescita dell’osso naturale che
sostituisce in tempi brevi il materiale
artificiale, il quale fornisce inoltre
l’impalcatura meccanica entro cui l’osso
naturale ricresce.
Nucleazione dell’apatite
• Si immerge un gel di silice preparato col
metodo sol-gel in SBF
HAP su
substrato
di hidrogel di
silicio
Nucleazione dell’apatite
• Anche i gruppi Ti-OH ottenuti da un gel
di titanio in SBF formano siti di
nucleazione di apatite
PerioGlass
Formazione di apatite ossea su
substrato polimerico
• Polimero organico (pmma, pet, pesf…)
• immerso in SBF in presenza di particelle
di CaO-SiO2-based glass (150-300 m )
• le particelle di CaO-SiO2-based glass
rilasciano ioni silicato
• adsorbimento sulla superficie del
polimero
• nucleazione di apatite in SBF
• crescita dei nuclei in 1.5 SBF
consumando ioni calcio e ioni fosfato.
Nuleazione di apatite
gli ioni silicato contenuti nei gruppi Si-OH
rilasciati da CaO-SiO2-based glass sono
adsorbite dalla superficie del substrato
polimerico e su di esso inducono la
nucleazione
Crescita dei nuclei di apatite
i nuclei di apatite crescono spontaneamente
formando uno strato denso ed uniforme
attraverso il consumo di ioni calcio e ioni
fosfato nel 1.5 SBF.
Lo strato di apatite che si forma è
denso ed uniforme ed è tanto più
spesso quanto maggiore è il tempo di
permanenza in SBF
Lo spessore dello strato di apatite
cresce linearmente col tempo di
immersione nel 1.5 SBF
Pmma dopo 1 giorno
in 1.5 SBF
Micrografie al sem
La velocità di crescità dello strato di apatite
aumenta linearmente con la temperatura
del secondo trattamento (esempio 1.7
m/giorno a 36.5ºC, 7 m/giorno a 70ºC),
inoltre la velocità di crescità dello strato di
apatite incrementa anche con la
concentrazione di ioni del secondo
trattamento a temperatura costante