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Materiali Biomimetici
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Materiali biomimeticiLa 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
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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
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Evoluzione dei biomaterialida utilizzo esclusivamente protesico a
funzione di interazione biologica.
Legno
metalli
Ceramici, metalli e polimeri informativi
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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
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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.
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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.
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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.
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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)
Sforzo(Gpa)
Lavoro di frattura(J/ m 2)
Osso 41 16 270 1700Corno 31 7.7 179 6200Ostrica 95 73 167 464Madreperla 0 25-80 100-1000Smalto 92 45 76 200Dentina 48 12 250 550
Proprietà di ceramici biologici
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La natura nell’evoluzione biologica ha ottimizzato la microstruttura di ogni tessuto sulla base di ogni specifica funzione fisiologica.
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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)
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Struttura e funzione dei tessuti biologiciTutti 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.
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OssaLe 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)
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I bioceramici possono essere divisi in tre gruppi caratterizzati dal loro comportamento negli ambienti biologici
• Ceramici bioinerti
• Ceramici biodegradabili
• Ceramici bioattivi
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• alta densità,• alto modulo di Young’s• buona durezza
ceramici bioinerticeramici-Al2O3, MgO, ZrO2, Si3N4, SiC, e Si-Al-ON
bioceramici inerti usati in impianti che espletano funzione portante, in modo particolare in protesi d’anca e di ginocchio
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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.
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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.
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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
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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 faravvenire il legame, la forza, il meccanismo e lo spessoredella zona differiscono per i vari materiali.
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BIOVETRIIl 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.
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Bioattività
• 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)
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Risultati di studi sull’impiego di HAP per rivestire metalli porosi hanno aperto la strada alla fissazione senza cemento delle
protesi ortopediche.
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Formazione di apatite ossea, biologicamente attiva su un substrato:• Ceramico
• Polimerico
• Metallico
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Crescita di apatite ossea su substrato ceramico
•Ceramico A-W con
•matrice MgO-CaO-SiO2glassy
•10 giorni in SBF
Quando il biovetro viene inserito nei tessuti viventi, si sviluppa molto rapidamente uno strato di osso naturale
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• 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)
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• 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.
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Nucleazione dell’apatite
• Si immerge un gel di silice preparato col metodo sol-gel in SBF
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HAP su substratodi hidrogel disilicio
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Nucleazione dell’apatite
• Anche i gruppi Ti-OH ottenuti da un gel di titanio in SBF formano siti di nucleazione di apatite
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PerioGlass
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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 )
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• 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.
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Nuleazione di apatitegli 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
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Crescita dei nuclei di apatitei nuclei di apatite crescono spontaneamente formando uno strato denso ed uniforme attraverso il consumo di ioni calcio e ioni fosfato nel 1.5 SBF.
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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
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Lo spessore dello strato di apatite cresce linearmente col tempo di immersione nel 1.5 SBF
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Pmma dopo 1 giornoin 1.5 SBF
Micrografie al sem
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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