I Biomateriali Rosanna La Rocca

Biocompatibilità La Scienza dei biomateriali studia le interazioni tra materiali viventi e non viventi. I biomateriali devono avere una proprietà fondamentale definita : Biocompatibilità

Il grado di biocompatibilità di un materiale dipende da: Forma Struttura Composizione Proprietà fisiche, chimiche, meccaniche, elettriche

La biocompatibilità è correlata a : Tolleranza dei tessuti verso il materiale estraneo La sua stabilità chimica e fisica per il tempo di permanenza nell’organismo

AIMDD II) MDD LEGISLAZIONE EUROPEA SUI DISPOSITIVI MEDICI (the Active Implantable Medical Devices Directive) II) MDD (the Medical Device Directive)

Requisiti essenziali I. Requisiti generali L’utilizzo dei dispositivi non deve compromettere lo stato clinico e la sicurezza dei pazienti. I dispositivi devono fornire le prestazioni loro assegnate dal fabbricante. I dispositivi devono essere progettati e imballati in modo che le caratteristiche non vengano alterate durante la conservazione ed il trasporto.

II. Requisiti relativi alla progettazione e alla costruzione a) Caratteristiche fisiche, chimiche e biologiche: - scelta dei materiali (tossicità ed infiammabilità) - la compatibilità reciproca tra materiali utilizzati e tessuti, fluidi corporei…etc b) Infezione e contaminazione microbica: - Riduzione dei rischi d’infezione - Fabbricazione e Sterilizzazione in condizioni adeguate. - I sistemi di imballaggio devono essere adeguati per mantenere la sterilità.

Classe I: basso rischio (dispositivi non invasivi) Classificazione dei dispositivi biomedici secondo il rischio per il paziente: Classe I: basso rischio (dispositivi non invasivi) Classe II: medio rischio a) I dispositivi invasivi che interessano gli orifizi corporei naturali b) I dispositivi parzialmente o totalmente impiantabili nell’organismo. Classe III: alto rischio - I dispositivi che agiscono sul funzionamento degli organi vitali Dispositivi Non Invasivi e Dispositivi Invasivi

Il controllo finale del prodotto SISTEMA COMPLETO DI GARANZIA DI QUALITA’ (ISO 9001/EN46001) Il fabbricante deve Verificare : La progettazione La fabbricazione Il controllo finale del prodotto Che sia soggetto a Verifica e Certificazione CE

Metodi di indagine sui Biomateriali Risposta autoimmune IMMUNOGENICITA’ Il materiale migliorerà o no la cicatrizzazione di una ferita!!??? CICATRIZZAZIONE Metodo per valutare l’effetto del materiale dal contatto con il sangue COMPATIBILITA’ CANCEROGENICITA’ Effetti a lungo termine

TOSSICITA’ TEST DI CITOTOSSICITA’: - costituiscono una tecnica rapida, economica e sensibile per valutare la biocompatibilità; - sono utili nello screening dei materiali per la costruzione di un dispositivo medico. B) TEST DI PIROGENICITA’: - l’obbiettivo è la ricerca di quelle sostanze di origine chimica o batterica, detti pirogeni, capaci d causare uno stato febbrile se presenti nell’organismo di un paziente in dose sufficientemente elevata.

Un dispositivo impiantato può produrre anche danni al DNA Genotossicità

COMPATIBILITA’ CON IL SANGUE O EMOCOMPATIBILITA’ I derivati del carbonio possiedono eccellenti doti di biocompatibilità ed è ormai invalso l’uso generale di depositare carbonio pirolitico su valvole cardiache e vasi sanguigni artificiali per aumentarne la emocompatibilità.

Emocompatibilità (test in vivo ed in vitro) Metodo per la valutazione della coagulazione del sangue. TROMBOSI Emocompatibilità (test in vivo ed in vitro)

LE REAZIONI DELL’ORGANISMO ALL’ IMPIANTO DI UN MATERIALE ESTRANEO Patogenesi: Biofilm Il processo inizia con un rapido attacco dei microorganismi alla matrice proteica che ricopre la superficie del materiale protesico. Il processo progredisce con la crescita e l’aggregazione dei microorganismi sulla superficie protesica a formare il biofilm

i biomateriali Si definisce biomateriale un materiale concepito per interfacciarsi con i sistemi biologici per valutare, trattare, aumentare, dare supporto o sostituire un qualsiasi tessuto, organo o funzione del corpo. (II International Consensus Conference on Biomaterials, Chester, Gran Bretagna, 1991).

Storia del Biomateriale La storia dei biomateriali può essere riassunta in tre tappe fondamentali: Biomateriali di prima generazione: il requisito fondamentale per il materiale è di essere bioinerte Biomateriali di seconda generazione: il requisito fondamentale è di essere bioattivo. Biomateriali di terza generazione: rappresentano il presente e il futuro dei biomateriali; il materiale deve essere sia bioattivo che riassorbibile.

I BIOMATERIALI CERAMICI • Composti inorganici che contengono sia elementi metallici sia elementi non metallici: – Ossidi (Al2O3, TiO2, MgO, SiO2, …) – Carburi (TiC, SiC,…) – Idruri, solfuri, seleniuri,… • Varietà di legami chimici, da covalente puro a ionico • Enorme importanza tecnologico-industriale: – Siderurgia, metallurgia – Industria metalmeccanica – Edilizia – Elettronica – Nucleare

tradizionali e avanzati. I materiali ceramici si dividono in tradizionali e avanzati. – Tradizionali: ceramici a base di argilla a cui vengono aggiunti quarzi, calcari, etc. Si suddividono in materiali a pasta porosa e a pasta compatta. – Avanzati: preparati per sinterizzazione di ossidi, siliciuri, nitruri,etc. • Applicazioni biomediche: odontoiatria, ortopedia, chirurgia vascolare. • Vantaggi: – Basso impatto sul sistema immunitario – Inerzia chimica verso i fluidi – Alta resistenza alla compressione – Basso coefficiente di attrito

Esempi di proprietà fisiche rilevanti • Elevata temperatura di fusione – Allumina: 2050°C – MgO: 2750C – Grafite: ca. 4000°C • Bassa conducibilità termica – Porcellana: 1 W/Mk • Elevata resistività elettrica – Allumina: ca. 1012 ohm.m

I biomateriali ceramici Materiali più importanti: – Ossido di alluminio (allumina, corindone) – Idrossiapatite (HA), idrossicarbonatoapatite (HCA) – β-fosfato tricalcico (TCP) – Biovetri – Carbonio pirolitico

Applicazioni dell’allumina • L’Allumina pura è utilizzata sin dai primi anni ‘70 come materiale da innesto, specialmente per protesi artificiali e impianti dentali grazie alla sua eccellente compatibilità con i tessuti ed alle sue buone proprietà meccaniche. Nel corso degli ultimi anni ha assunto un ruolo fondamentale anche nel campo della chirurgia maxillofacciale.

I biomateriali ceramici…. • Si classificano in: – Ceramiche bioinerti (elevata resistenza) – Ceramiche bioattive (capaci di formare legami con tessuto osseo e con tessuti molli) – Ceramiche bioassorbibili (coinvolte in processi metabolici)

Materiali ceramici bioinerti: • (allumina calcinata). Per utilizzo come biomateriale deve avere purezza >99.5% (SiO2, Na2O < 0.1%) • Proprietà richieste (ISO 6474, ASTM F603-83) – Densità (g/cm3) >3.9 – Dimensioni medie del grano (mm) <0.7 – Microdurezza (MPa) 23000 – Resistenza alla compressione (MPa) 4000 Materiali ceramici bioattivi: • Generalmente riassorbibili • Ricostruzioni di tessuto osseo, ma anche giunture, legamenti, tendini, etc. • Più importante: fosfato di calcio. A seconda del rapporto Ca/P cristallizza in due forme: – Idrossifosfato di calcio (idrossiapatite, HA)

I Materiali Metallici da Impianto I metalli possono essere ottenuti da metalli semplici. Hanno una struttura cristallina, Sono buoni conduttori di calore ed elettrici, hanno, infatti, una bassa resistività.

I Materiali Metallici da Impianto: Le leghe Una lega è una miscela di due o più elementi di cui uno è un metallo. Questi biomateriali si caratterizzano per la loro duttilità, si deforma ma non si rompe. Purtroppo venendo a contatto con i liquidi biologici tendono ad usurarsi.

es: ACCIAIO INOSSIDABILE Lega costituita da ferro, carbonio e in minore percentuale da cromo. Il principale tipo di acciaio inossidabile è l'austenitico, che in fase solida si forma da una lega di ferro e carbonio, il ferritico e il martensitico che è duro e tenace e risulta indicato per bisturi e altri strumenti da taglio.

Processo Infiammatorio Vasodilatazione Aumento della Permeabilità Dolore Danno Tissutale Induzione di Molecole di Adesione Essudato

THE IMMUNE SYSTEM ORGANIZATION Pathogen Innate immunity (0-4 hr) Risposta adattativa tardiva >96 hr Espansione clonale cellule della memoria Risposta adattativa precoce 4-96 hr

Risposta Immunitaria

STRUTTURA FONDAMENTALE DI UNA MOLECOLA DI IMMUNOGLOBULINA Linfociti B e produzione di Ab STRUTTURA FONDAMENTALE DI UNA MOLECOLA DI IMMUNOGLOBULINA catena leggera: -1 dominio variabile VL -1 dominio costante CL CH3 CH2 CL CH1 VH VL catena pesante: 1 dominio variabile VH 3 o 4 domini costanti CH, a seconda dell'isotipo