il flusso ionico prodotto dal processo di corrosione può i prodotti delle reazioni inorganiche degli ioni liberati

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1 APPLICAZIONI DEL TITANIO IN AMBITO ORTOPEDICO E TRAUMATOLOGICO E. M. Brach dl Prvr*, A. Massè*, E. Vita Fzi Zalman** * I Clica Ortopca, Univrsità Toro ** Dipartimnto ricrch Svuppo SEIPI-Mano L'troduzion matriali nuova conczion ha contribuito con prfzionamnto dll tcnich chirurgich con l'ampliamnto dll conoscnza biologich, alla ralizzazion dl significativo progrsso rgistrato tutti gli ambiti ortopci ngli ultimi dcnni. A qusto riguardo Titanio l su lgh rivstono un ruolo particolar pr la loro biocompatibità biofunzionalità. BIOCOMPATIBILITA' L'stnsion dll cazioni all'impianto biomatriali ha dtrmato la moficazion dl conctto biocompatibità fo alla dfizion attual: BIOCOMPATIBILITY = THE ABILITY OF A MATERIAL TO PERFORM WITH AN APPROPRIATE HOST RESPONSE IN A SPECIFIC APPLICATION I mccanismi implicati nl dtrmismo dlla biocompatibità di matriali da impianto sono part noti, vngono ricondotti alla quantità d al comportamnto dgli ioni librati durant i procssi corrosion: l trazioni dannos con i tssuti vngono ricondott a quattro mccanismi: flusso ionico prodotto dal procsso corrosion può trfrir con i procssi nurotrasmission i prodotti dll razioni organich dgli ioni librati ni procssi corrosion vngono trasportati con i flui biologici vrsi organi; loro accumulo può dar luogo ad fftti sistmici o a fnomni snsibizzazion l razioni organich di prodotti dlla corrosion con l prot tissutali, con la 6.1 loro dnaturazion, possono

2 origar fnomni fiammatori la produzion H202 da part cllul fiammatori la formazion racali idrossici può causar danni ai sistmi biologici Il Titanio, analogamnt agli altri matriali utizzati campo implantologico, si rivst spontanamnt un sott strato ossido, automantnntsi pr fnomni ripassivazion; la biocompatibità dl Titanio non smbra da ricondursi alla prsnza tal strato quanto al comportamnto dgli ioni dgli ossi prsnti all' trfaccia: Titanio d suo idrossido sono poco solubi ni liqui organici Titanio, ion molto acido, ha scarsa attitun lgarsi ai chlanti cllulari l trazioni organich portano alla formazion complssi stabi. Il risultato è ch l'omostasi cllular risulta flunzata dal Titanio ntità crtamnt frior risptto ad altri matriali da impianto; è oggtto ricrca la possibità una risposta rasciati immunitaria nll'ambint tipo IV agli ioni priimplantar, Titanio soggtti prsposti. Poiché rascio ionico è rgolato da mccanismi ffusion attravrso fm ossido, nl caso impianti lgh Titanio anch altri ioni si stribuiscono all' trfaccia; così l'uso lgh Titanio-Allumio-Vanao pr impianti biologici prsuppon sprimntalmnt un (fig.1); rascio stu Al vivo d V, mostrato vitro hanno mostrato la bassa biocompatibità dl Vanao. In sd ISO è stata rcntmnt avanzata la proposta trodurr una standarzzazion dll carattristich chimich altr lgh Titanio dstat alla produzion impianti 6.2

3 chirurgici; accanto alla conosciuta lga Titanio 6-Allumio 4-Vanao vngono considrat l lgh Titanio 5-Allumio 2.5Frro Titanio 6-Allumio 7-Niobio; stu vivo su ratti hanno mostrato ch la biocompatibità qust ultim du lgh è sovrapponib a qulla dl Ti puro, vnto ch vin ricondotto all' assnza contnuto Vanao (fig.2). BIOFUNZIONALITA' Il Titanio l su lgh sono carattrizzati da proprità mccanich grand trss ortopco. La massa spcifica è 4.5 Kg/dm3, molto frior a qulla dgli acciai ossidabi (7.85 Kg/dm3) dll stlliti (8.9 Kg/dm3), si associa ad un valor dl limit fatica alla flsso-rotazion ugual o suprior a qullo dll altr lgh da impianto; oltr modulo Young risulta ssr più vico a qullo dll'osso cortical tra tutti i biomatriali (110 GN/m2), con valori pari a mtà qullo dgli acciai dll lgh a bas cobalto (200, 230 GN/m2) (fig.3). Il valor dato dal limit fatica alla flsso-rotazion viso pr modulo lastico (σb/e) è stato dfito com BIOFUNZIONALITA'; da quanto è stato dscritto risulta chiaro ch qusta risulta suprior pr Titanio l su lgh risptto agli acciai d all stlliti. I limiti tuttora connssi con l'uso dl Titanio sono lgati all su carattristich tribologich: l limitat prstazioni riguardano la rsistnza all'usura, al graffio d all rigatur ch possono origarsi durant l'impianto dll componnti, ch crmntano modo sponnzial rascio ionico nll'ambint priprotsico. L'accordo univoco sull'importanza qusto fnomno nl dtrmismo dlla biocompatibità ha stimolato la ricrca sistmi atti a limitarlo: risultati 6.3

4 sprimntali clici sodsfacnti sono stati ottnuti con l mtoch plasma-spray di biomatriali con fosfato calcio vtri biodgradabi; pr quanto riguarda l'uso dl fosfato Ca (Idrossiapatit, HA), la riduzion dl rascio ionico ottnuta con qusta procdura vin ricondotta da stu rcnti all moficazioni nlla composizion nlla struttura dl fm ossido, ch appar aumntato spssor d corpora atomi carbonio calcio (fig.4). I limiti sprimntalmnt riscontrati qust tcnich sono rlativi alla durata di rivstimnti. Più rcntmnt è stata sprimntata l'impiantazion ionica N2 mant bombardamnto ad lvata nrgia, smpr al f migliorar la rsistnza all' usura dll componnti protsich, con la crazion uno strato Nitruro Titanio; una variant a qusta mtoca prvd l'asportazion dl fm ossido mant bombardamnto con Argon sotto vuoto: i manufatti sottoposti a qusto trattamnto sono stati tstati con prov tribologich prsnza flui simi al liquido sovial; l' adsion dl fm nitruri è risultata più lvata risptto a qulla ottnuta snza l' asportazion dl fm ossido. APPLICAZIONI DEL TITANIO IN CHIRURGIA ORTOPEDICA L carattristich sopradscritt sono risultat fondamntali, chirurgia ortopca, pr lo svuppo dll'implantologia articolar dll'anca. Com notazion storica ricoramo ch primo utizzo dl Titanio nlla ralizzazion protsi d'anca risal al 1959, con la produzion Union Sovitica dlla protsi d'anca non cmntata SIVASH. I risultati ottnuti da Sir John Charnly ni primi anni '60 con l'ancoraggio protsico con Polimt-Mtacrato 6.4 (PMMA)

5 rapprsntarono una fondamntal rttric guida nlla chirurgia protsica: qusti anni l'impianto protsi d'anca acquista una mnsion qualitativa quantitativa dl tutto nuov. L'aumnto dl numro impianti si è accompagnato ad un proporzional crmnto di casi fallimnto mccanico; la mobizzazion un impianto cmntato si associa variabmnt a dbridmnt dl PMMA, ch stimola una razion cllular da corpo strano; risultato qusto fnomno è rapprsntato da riassorbimnto zonal dll' osso priprotsico proporzional all' ntità dlla mobizzazion; la scadnt qualità dl bon stock è un problma important pr chirurgo, si traduc una ridotta aspttativa sopravvivnza funzional dl scondo impianto. Pr qusti motivi, ni primi anni '70 la ricrca si è orintata vrso lo stuo sistmi ancoraggio protsico altrnativi al PMMA; l'assnza dll' trfaccia con PMMA implicava ch i biomatriali da utizzarsi, vnndo a rtto contatto con tssuto osso, dovssro avr una complta tollrabità biologica a lungo trm; oltr, vnndo mno la funzion "rimpitiva" dl cmnto, la ottimal trasmission di carichi sarbb psa tramnt dall carattristich mccanich dl biomatrial dalla forma dll componnti protsich. Rstando componnti tuttora battuto protsich, sist problma oramai dlla univoco forma accordo dll tra i produttori nl considrar l lgh titanio com matrial lttivo nlla ralizzazion impianti non cmntati (fig.5,6). APPLICAZIONI DEL TITANIO IN CHIRURGIA TRAUMATOLOGICA L'utizzo dl titanio ha trssato qusti ultimi anni 6.5

6 anch la chirurgia traumatologica, sia nll'ambito dlla fissazion strna ch dlla fissazion trna qulla ndomidollar: A) FISSAZIONE ESTERNA La fissazion ostostsi schltrici strna grado tramit può ssr dfita stabizzar lmnti prsa com mtodo monconi fissi nll'osso frammnti a stanza dal focolaio, trapassanti l parti molli raccordati rciprocamnt da un apparato xtratgumntario; attualmnt. da smplic fissazion bionamico, passivo sistma strna cioè sta sistma smpr più vicolo bloccaggio assumndo biomccanico osso la un ruolo attivo sulla catalizzazion sul mantnimnto dll'ostognsi riparativa. fissatori strni circolari: nl 1954 Prof. Ilizarov pubblicò i primi risultati ottnuti con suo prototipo fissator strno, costituito da una sri anlli trasvrsali raccordati longitunali: con risultato barr ra micromtrich rapprsntato da un soschltro cdrico al qual vnivano ancorati sotti fi d'acciaio transossi omnirzionabi tramit appositi morstti; la valità qusto sistma n ha promosso la larghissima ffusion. E' stato proposto l'uso dl titanio pr la produzion anlli circolari vantaggio dato dal sostgno Titanio ai fi qusto Kirschnr; ambito sarbb, scondo i produttori, connsso con l carattristich basso modulo lastico basso pso spcifico; l'aumntata dformabità dll'impianto sodsfrbb, nfatizzandolo, conctto fissazion lastica", si accompagnrbb 6.6

7 ad un pso contnuto dll' impianto, con mor sagio pr pazint (fig.7). fissatori strni assiali: qusti apparati l'osso vin ancorato tramit viti ad un soschltro rtto, usualmnt sudviso sgmnti mobi; anch qusto caso ridotto pso dl titanio, impigato nlla produzion morstti, riducndo pso complssivo dl sistma, aumntrbb la tollrabità dll' impianto. B) FISSAZIONE INTERNA La fissazion trna dll frattur vin ralizzata scondo prcipi rigorosamnt standarzzati, utizzando mzzi stsi variamnt forgiati, fissati all'osso tramit viti o fi acciaio: la duttità qusto sistma fissazion lo rnd capitolo fondamntal dlla chirurgia traumatologica d ortopca; i suoi limiti sono dati dal rischio fzion ( qusto caso la ridotta biocompatibità è lgata ad un'lvata adsion battrica vitro agli acciai) dalla rigità di manufatti acciaio, ch dtrma un bypass dll forz a livllo dl focolaio frattura dll' osso limitrofo. In qusto snso Titanio prsnta sicuramnt dll carattristich vantaggios, avndo maggior biocompatibità a mo trm mor modulo lastico dgli acciai. L prim ipotsi utizzo dl Ti nlla fissazion trna risalgono al 1951, quando Jrgnsn Lvnthal, analizzando tssuto priimplantar placch Titanio, dscrissro l' assnza razioni tissutali significativ; vrso la mtà dgli anni '50 iziò la stribuzion commrcial placch, chio viti Titanio pr la stsi trna (fig 8). Pr motivi conomici la ffusion di mzzi stsi titanio non ha conosciuto fo ad ora la ffusion ipotizzata; 6.7

8 è comunqu da sgnalar la rcntissima troduzion commrcial placch a basso contatto tissutal (LC-DCP, Low-Contact Damic Comprssion Plat) lo stuo placch a contatto puntiform (PC-DCP), ntramb ralizzat titanio puro; qusta sclta è stata dttata dalla volontà limar rischio rascio ionico vanao: l'accoppiamnto titaniotitanio o titanio- acciaio ch si ralizza ni complssi placcaviti si associa fatti ad un rascio ionico priimplantar proporzionalmnt più important ch pr altri manufatti ortopci. C) FISSAZIONE ENDOMIDOLLARE La fissazion ndomidollar vin ralizzata troducndo chio lastici nl canal midollar dll ossa lungh. L carattristich già citat pr la fissazion trna hanno suggrito l'impigo dl Titanio nlla produzion di chio Kuntschr, pr garantir risptto dl conctto "fissazion lastica". CONCLUSIONI L carattristich mccanich biocompatibità dl Titanio n hanno stso l'utizzo campo biomco a numrosi ambiti ortopci traumatologici; la miglior conoscnza di procssi ch concorrono a dtrmar fnomno dlla biocompatibità ha guidato la ricrca vrso lo stuo soluzioni al problma dl rascio ionico, nfatizzato dall rcnti ipotsi immunologich rlativ a possibi fnomni iprsnsibità tipo IV rapprsntano oltr al Titanio; una via l'utizzo rapprsntar un l tcnich sicuramnt lgh ultrior 6.8 impiantazion promttnt priv passo vrso tal Vanao ionica snso; potrbb l'ottnimnto dlla

9 complta tollrabità biologica. BIBLIOGRAFIA 1) J. Brm: "Titanium and titanium alloys, biomatrials of prfrnc" VI World Confrnc on Titanium, Franc ) J. Brm: "Trational and advancd titanium alloys for orthopac impl.ants", mtg "TI titanio ortopa", Mano, ) E. Castaman: "pri.ncipi biomccanici fissazion strna", Aulo Gaggi Etor, ) R. Crownshild: "An ovrviw of prosthtic matrials for fixation", Cl. Orthop. Rl. Rs., 235, , ) E. Dbrnar: "r..a rsistnza alla corrosion dl t.itanio l su lgh: carattristich chimico-fisich comportamnto", mtg "Il titanio ortopa", Mano, ) F. Dnicolai: "Impigo dl titanio chirurgia ortopca", 111 Mtg sul titanio, Toro ) P. Duchyn: "In biocompatibity vitro of and titanium" VI vivo modlg World of Confrnc th on Titanium, Franc ) C. Gabbi, G. Russo, L. Bo: "Impianto transcortical rivstito idrossiapatit", Annali Fac. Md. Vto Univo Parma, VI, 47-54, ) P. Gallaro, E. M. Brach dl Prvr: "Asptti tcnologici clici dll' trfaccia osso-biomatrial", Biomatriali, l, 37, ) ISO/TC, 150/SC1 n'148 11) G. Lual, D. Mn: "Uso dl titanio sistmi avanzati applicati alla chirurgia ortopca SPERRI, traumatologica",

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