Materiali innovativi. Materiali smart. Università degli Studi di Bari FASI SVILUPPO BIOMATERIALI

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1 Università degli Studi di Bari Materiali innovativi FASI SVILUPPO BIOMATERIALI Sostitutiva: notevole uso di leghe metalliche (es. in titanio) concentrazione sulla funzionalità da sostituire e valutazione empirica della biocompatibilità; Ricostruttiva: supporto al recupero della funzione perduta con utilizzo di scaffold in materiali il più possibile porosi e biocompatibili (polimeri per ricostruzione tessutale, ceramici per ricostruzione ossea); Rigenerativa: biocompatibilità naturale di strutture assemblantesi in modo gerarchizzato (materiali naturali). Materiali smart Materiali che rispondono con una variazione significativa di una proprietà sotto l applicazione di una driving force esterna. Sistemi in grado di rispondere a variazioni di: - ph - temperatura - concentrazioni enzimatiche - sollecitazioni meccaniche 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)

2 Materiali smart Materiali smart materiali a memoria di forma materiali piezoelettrici materiali elettroattivi fluidi elettroreologici Materiali a memoria di forma capacità di un materiale di essere deformato in una forma temporanea e di ritornare alla sua forma originale in appropriate condizioni L effetto di memoria di forma può essere controllato da: calore luce agenti chimici metallici polimerici

3 Materiali a memoria di forma Programming Recovery permanent shape temporary shape permanent shape polimeri a memoria di forma materiali polimerici piezo(piro)elettrici

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

5 polimeri conduttori polimeri conduttori Fluidi magnetoreologici

6 Fluidi elettroreologici gel polimerici PROGETTAZIONE SCAFFOLD

7 STEREOLITOGRAFIA LASER Nd:YVO4 GALVANOMETER MIRRORS RECOATER RESIN RESIN LEVEL DETECTION PART ELEVATOR Leghe a memoria di forma (Shape Memory Alloys, SMA) Materiali capaci di recuperare la forma iniziale anche dopo elevate deformazioni Punto di vista macroscopico: due effetti non presenti in materiali tradizionali Effetto memoria di forma Recupero termico Leghe a memoria di forma (Shape Memory Alloys, SMA)

8 Leghe a memoria di forma (Shape Memory Alloys, SMA) Dispositivi per la chiusura di difetti interatriali Leghe a memoria di forma (Shape Memory Alloys, SMA) Biocompatibilità?? Il Nitinol contiene più Nichel dell acciaio AISI 316L, ma il Nichel è un allergene. Grazie alla formazione sulla superficie del dispositivo in NiTi di uno strato di intermetallico di TiO2, viene impedita l ossidazione del Nichel; numerosi test hanno dimostrato che il NiTi è chimicamente più stabile e meno corrosivo dell acciaio, ma meno stabile del titanio puro; numerosi test in vivo e in vitro hanno dimostrato che il Nitinol è altamente compatibile; numerosi dispositivi sono ormai impiantati dagli anni Ottanta In letteratura vi sono numerosi studi con visioni discordanti. materiali bioriassorbibili E un materiale che all'interno del sistema biologico subisce una progressiva degradazione senza che questa induca reazioni indesiderate o effetti tossici. Tale degradazione è provocata da fenomeni quali la fagocitosi cellulare, la dissoluzione fisica dovuta ai liquidi biologici e la degradazione enzimatica. Esempi di questi materiali sono l'acido polilattico (PLA) e l'acido poliglicolico (PGA), e alcune ceramiche contenenti fosfato di calcio.

9 materiali bioriassorbibili sviluppo delle nanotecnologie 1989 D.M. Eigler (IBM) scrive il nome della sua azienda con 35 atomi di Xenon 35 atomi di xenon 1991 S. Iijima scopre i nanotubi di carbonio i nanotubi Proprietà Dimensioni: nm (tubi singoli) Resistenza: 20 volte maggiore del migliore acciaio Flessibilità: molto superiore alle fibre di carbonio Elettricità: conducono fino a 1000 volte più del rame Stabilità: resistono fino a 2800 C Costi: 150 volte più dell oro Future applicazioni Nanocircuiti: autoaggregazione per formare circuiti 100 volte più piccoli di quelli attuali Muscoli artificiali: 100 volte più forti di quelli umani Nanopinze: per afferrare le molecole Nanobilance: per pesare gli atomi Celle a combustibile: per immagazzinare idrogeno

10 Biologia Sintetica La Biologia Sintetica realizza sistemi biologici non esistenti in natura. La Biologia Sintetica Sfrutta i microrganismi (batteri o lieviti) come macchine programmabili. La programmazione è eseguita trasformando le cellule con molecole di DNA esogeno (programma genetico) che contengono le istruzioni per realizzare una funzione biologica predeterminata. Il programma genetico è assemblato impiegando i BioBricks ( mattoncini di DNA) che sono componenti genetiche standard con funzioni biologiche predefinite. Attualmente, sono disponibili alcune migliaia di BioBricks le cui caratteristiche specifiche sono descritte nel Registry of Standard Biological Parts ( Defense Advanced Research Projects Agency DARPA plans to place diagnostic nanochip in soldiers

11 bio hybridized interface