BIOMATERIALI IN CAMPO ORTOPEDICO

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1 a scuola di scienze della vita Liceo Scientifico N. Tron Schio (VI VI), 3 Dicembre 2009

2 Patologie ossee e nuovi materiali protesici BIOMATERIALI IN CAMPO ORTOPEDICO Dott.ssa Sabrina Semeraro Dip. Scienze della Vita Universita di Trieste

3 TESSUTO OSSEO Connettivo specializzato Funzione meccanica (sostegno, supporto struttura e inserzione di muscoli) Funzione protettiva (organi interni) Funzione metabolica ( riserva di minerali Calcio e Fosforo, emopoiesi)

4 Componenti organiche Fibre collagene glicosaminoglicani (GAGs), proteoglicani Glicoproteine: fibronectina, osteopontina, sialoproteina ossea osteonectina, osteocalcina e fattori di crescita (BMPs) Componente minerale costituisce il 65% del peso secco dell osso fosfato di calcio TCP carbonato di calcio idrossiapatite Ca10(PO4)6(OH)2 (cristalli aghiformi combinati con fibre collagene)

5 ORGANIZZAZIONE TISSUTALE Lamelle (spugnoso e compatto) spesse in media 5 µm costituite da cellule e da sostanza intercellulare presenza di fibre collagene aggregate in file parallele e matrice mineralizzata allineata lungo le fibre collagene gli osteociti sono accolti in cavita della matrice lamellare calcificata (lacune ossee)

6 sistemi Haversiani, sistema circonferenziale esterno circonferenziali e interstiziali osteone (sistema Haversiano) sistema interstiziale periostio sistema circonferenziale interno endostio

7 OSSO LUNGO EPIFISI OSSO SPUGNOSO - trabecole o spicole - cavità midollari (midollo emopoietico) OSSO COMPATTO - osteoni - lamelle interstiziali DIAFISI CAVITA MIDOLLARE CENTRALE - Midollo osseo (emopoiesi) EPIFISI

8 PROPRIETÀ MECCANICHE DELL OSSO Sali di calcio : ottima resistenza alla compressione,ma si rompono se sottoposti a piegamenti OSSO : duro e flessibile (proprietà intermedie), estremamente leggero Fibre collagene : elastiche,resistono all allungamento e alla torsione ma non alla compressione

9 l osso spugnoso è presente dove le forze sono applicate da varie direzioni, compressione l osso compatto resiste alla compressione in senso longitudinale alla flessione Meno resistente alle pressione laterali

10 TRABECOLE OSSEE osso spugnoso osso compatto

11 PATOLOGIA A CARICO DEL TESSUTO OSSEO MALATTIE METABOLICHE OSSE Insieme di patologie dovute ad una grave alterazione del metabolismo del tessuto osseo. Le complicazioni possono portare all alterazione della struttura scheletrica e della calcemia con maggiore incidenza di fratture Osteomalacia difetto di mineralizzazione delle ossa, basso contenuto minerale, alterato metabolismo della vitamina D (nell infanzia Rachitismo) Morbo di Paget : osso cresce in maniera abnorme (infezione virale) più morbido e disorganizzato Osteoporosi Riduzione della massa ossea ed alterazioni della microarchitettura dell'osso conseguente aumento della fragilità e del rischio di fratture OSTEOSARCOMA (SARCOMA OSTEOGENICO) Altamente maligno metastatizza in genere nei polmoni

12 fratture patologiche perdita tessuto osseo fratture traumatiche

13 Consolidamento frattura 1. Formazione ed organizzazione ematoma; TRATTAMENTI TERAPEUTICI 2. Proliferazione e differenziazione in senso osteogenico; CALLO OSSEO PROVVISORIO 3. Maturazione, strutturazione e rimodellamento del callo osseo provvisorio; CALLO OSSEO DEFINITIVO N.B. : necessarie tre condizioni: 1. contatto tra i monconi 2. Immobilità dei frammenti ossei 3. Adeguata vascolarizzazione dei frammenti

14 TRATTAMENTI TERAPEUTICI Tecniche chirurgiche utilizzate in caso di danno grave Autotrapianto : piccole porzioni di osso, due siti di intervento doloroso per paziente Allotrapianto: da donatore, nessuna cellula vitale dell'osso del donatore sopravvive nel ricevente. Osso impiantato funziona da impalcatura per colmare e stabilizzare le lesioni di continuità finché non viene sintetizzato nuovo osso Impianto di protesi

15 BIOMATERIALI Realizzazione di dispositivi medici Materiali che si interfacciano con sistemi biologici L interazione tra materiale e mezzo biologico avviene a vari livelli: Mega-organi Macro-tessuti Micro-organelli e cellule Nano- molecole

16 APPLICAZIONI DEI BIOMATERIALI Ortopedia: le protesi articolari, il cemento osseo, la sostituzione di legamenti, la fissazione di fratture interna ed esterna. Odontostomatologia: i cementi, i materiali da impronta, i materiali ortodontici, gli impianti ossei. Chirurgia cardiovascolare: le valvole cardiache, le protesi vascolari di grande e medio calibro. Chirurgia plastica: gli espansori cutanei (mammoplastica) Oculistica: le lenti a contatto, i cristallini artificiali, il silicone nel trattamento dei distacchi di retina. Chirurgia generale suture, cateteri, dispensazione di farmaci (drug delivery).

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18 PROGETTAZIONE DISPOSITIVO MEDICO funzioni ambiente sollecitazioni caratteristiche dei materiali a contatto variabilità nel tempo FASI DELLA PROGETTAZIONE caratterizzazione fisico-chimica dei tessuti dinamica dei sistemi biologici caratterizzazione chimico-fisica dei materiali tribologia biocompatibilità (dispositivo, prodotti di usura)

19 COMPATIBILITÀ compatibilità morfologica compatibilità funzionale compatibilità biologica BIOCOMPATIBILITÀ Livello 1 citotossicità genotossicità emocompatibilità Livello 2 istocompatibilità immunocompatibilità infettività

20 VALUTAZIONI POST IMPIANTO Il monitoraggio della funzionalità dei biomateriali post impianto Infezioni periprotesiche (problematiche legate alla sterilizzazione dei biomateriali). La trombosi delle protesi vascolari. La sensibilizzazione indotta da biomateriali. BIORIASSORBIMENTO Il processo di dissoluzione o di rimozione dovuto ad attività cellulare di un materiale inserito in un ambiente biologico

21 CATEGORIE DI BIOMATERIALI Metalli: materiali inorganici composti da uno o più elementi metallici Polimeri: materiali organici composti da lunghe catene molecolari, in genere a base di carbonio, che possono essere lineari, ramificate o Reticolate Ceramici: materiali inorganici costituiti da elementi metallici e non metallici legati chimicamente fra loro in rapporti costanti Compositi: metalli + ceramici metalli + polimeri polimeri + ceramici

22 Lineare POLIMERI Ramificata Reticolata I polimeri lineari e ramificati hanno proprietà meccaniche inferiori rispetto a quelli reticolati. Sottoposti a sollecitazioni le catene scorrono una rispetto all altra (comportamento viscoelastico) I polimeri reticolati possiedono ponti tra le varie catene costituiti da legami covalenti. Cambia lo scorrimento viscoso, proprieta meccaniche migliori (rigidezza e resistenza)

23 Materiali polimerici in bioingegneria Si prestano alla fabbricazione di materiali compositi I polimeri sintetici hanno struttura simile a quelli naturali Possono avere caratteristiche di buona compatibilità con l organismo Possono in alcuni casi essere metabolizzati e degradati nel tempo Per uso biomedico elevata purezza PoliEsteri protesi vascolari,anelli da suture,tendini e legamenti (dacron); viti placche e chiodi acido poliglicolico (PGA) e polilattico (PLA). PoliAmmidi suture (Nylon), tendini legamenti (Kevlar) PoliEtilene tubi (LDPE, LLDPE), impianti ortopedici (UHMWPE) PoliTetraFluoEtilene teflon e Gore tex PoliUretani protesi vascolari PoliMetilMetAcrilato componenti ottiche e cemento per ossa

24 Materiali polimerici in ortopedia PoliEsteri PET Maggiormente usati i polimeri biodegradabili PGA e PLA per la fabbricazione di viti, placche e chiodi intramidollari. Vengono riassorbiti ed eliminati dall organismo ospite. Problemi: durante il processo di guarigione la velocità di degradazione del polimero deve essere adeguata alla formazione di nuovo osso. Nel tempo perdita di proprietà meccaniche.

25 PoliEtilene PE Materiali polimerici in ortopedia Negli impianti ortopedici è impiegato un polimero ad elevatissimo peso molecolare: UHMWPE (ultrahigh-molecular-weight-pe) Sono di UHMWPE il 90% delle protesi articolari: Cotile dell anca Piatto tibiale Vantaggi ottime proprietà antiattrito resistenza a forze impulsive Resistenza alla fatica meccanica biocompatibile Svantaggi deformabilità viscosa soggetto ad usura e ossidazione

26 Materiali polimerici in ortopedia PoliMetilMetAcrilato PMMA Nome commerciale Plexiglas o Perspex Trasparente e biocompatibile In ortopedia utilizzato per la preparazione di cementi ossei per saldare le protesi articolari us.synthes.com

27 METALLI Acciai inossidabili strumenti da taglio e protesi Leghe di Cobalto dispositivi impiantabili Titanio rivestimenti Leghe di Titanio protesi Vantaggi: I metalli sono duttili e non si rompono,resistono alla fatica ed ai cicli di carica e possono essere lavorati Svantaggi: La corrosione da parte dei fluidi biologici può portare a : perdita di materiale Perdita della funzionalità Contaminazione da metallo

28 Materiali metallici in ortopedia Acciao inossidabile austenitico (ferro, carbonio e nichel) resistenza alla corrosione adatti per protesi articolari Leghe di Cobalto (Co-Cr-Ni-Mo) Resistenti alla fatica meccanica, possono essere lavorati Leghe di Titanio (Ti6Al4V) La più usata per applicazioni ortopediche attualmente il vanadio è stato sostituito da Niobio Soggette a corrosione per sfregamento, adatte a protesi articolari

29 CERAMICI Dispositivi per la sostituzione di tessuti duri: Protesi articolari Denti artificiali Protesi orecchio interno Vantaggi: Inerzia chimica nei confronti dei fluidi biologici Resistenza alla compressione Basso coefficiente di attrito Bicompatibili e bioattive Svantaggi: fragilità

30 Ossido di alluminio (allumina, corindone) Idrossiapatite (HA), idrossicarbonatoapatite (HCA) β-fosfato tricalcico (βtcp) Biovetri Vengono classificati in : Ceramiche bioinerti (elevata resistenza, non subisce alterazioni dovute all ambiente biologico) Ceramiche bioattive (capaci di interagire con tessuto osseo e con tessuti molli)

31 Materiali ceramici in ortopedia Allumina (ossido di Alluminio) Bioinerte Ottime proprietà meccaniche di rigidezza e durezza Copertura di superfici Idrossiapatite Ca10(PO4)6(OH)2 Fa parte della famiglia delle apatiti Nell osso naturale HA è presente in forma micro-cristallina e costituisce il 70% dell osso HA preparata per via sintetica rappresenta un buon sostituto dell osso naturale. Materiale assolutamente non tossico a livello locale e sistemico Non induce risposta infiammatoria o reazioni da corpo estraneo Riparazione piccole porzioni di osso Rivestimento protesi metalliche (BIOATTIVA) Biovetri (BG) Resistente alla trazione e all abrasione alcune composizioni vetrose possono stimolare crescita osso Sono vetroceramiche, a base di silice, ottenute mediante tecniche di nucleazione controllata, es.: Bioglass, Cervital.

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33 PROPRIETA MECCANICHE DELL OSSO E DEI MATERIALI PROTESICI

34 Protesi tipo Coppa : metallo o polimeri Testa : metallo o ceramica Stelo : metallo con eventuale copertura in ceramica

35 Collagene Acido ialuronico Glicosaminoslicani Fibrina Chitosano Alginato destrano POLIMERI NATURALI Polimero di derivazione algale in grado di formare gel in presenza di cationi bivalenti. Ideale per la produzione di matrici tridimensionali

36 Progetto europeo SCOPO Nuovi sistemi di coating (ricopertura) il piu possibili bioattivi o riempitivi per difetti ossei di piccola entita che favoriscano la formazione di nuovo osso Drug Drug antibiotico -NHCO- Peptide antimicrobico -NHCO- -NHCO- Molecole bioattive (fattori di crescita BMP / galattosio, peptide RGD) polisaccaride Drug Coating o scaffold

37 Progettazione di supporti triodimensionali o scaffold base di polimeri naturali con attività biologica in gardo di essere riassorbiti dal tessuto osseo o inglobati in esso SCAFFOLD Una matrice porosa temporanea che supporta la crescita l organizzazione ed il differenziamento delle cellule. L obiettivo e quello di rigenerare il tessuto osseo con struttura e funzioni comparabili con quelle dell osso nativo.

38 Biocompatibilita CARATTERISTICHE DELLO SCAFFOLD Capacita di generare una corretta risposta biologica Osteoconduzione vascolarizzazione dello scaffold Osteoinduzione Indurre la differenzazione delle cellule mesenchimali in osteoblasti Osseointegrazione Ottenere una completa integrazione con l osso nativo Bioriassorbibilita Sostituzione completa del supporto con osso nativo di nuova formazione

39 COMPOSIZIONE DI SCAFFOLD PER LA RIGENERAZIONE OSSEA Materiale polimerico: struttura porosa (alginato) Componente inorganica: Hap proprietà meccaniche e biologiche Componente biologica: induzione al differenziamento (BMPs) o riduzione infezioni post operatorie (antimicrobici).

40 PREPARAZIONE DEGLI SCAFFOLD DI ALGINATO Formazione del gel Chela ioni bivalenti Modello egg-box COO HO COO HO HO O O O O O HO HO O O HO O HO COO HO COO OOC OH OOC OH O OH O O OH O O OH O O OH O OH OOC OH OOC

41 Preparazione degli scaffold di ALG/nHAp 16 mm Struttura porosa Congelamento graduale Freeze drying

42 E importante la porosità. Nei meccanismi che coinvolgono strutture cellulari i pori devono essere di almeno 150 µm. Trabecole ossee

43 linee cellulari su scaffold ALG/nHAp

44 CONCLUSIONI Compositi a base polisaccaridica (polimeri naturali) soddisfano i requisiti richiesti dall ingegneria tissutale Adeguate caratteristiche strutturali Proprieta` meccaniche Buona biocompatibilità