Traumi, degenerazioni e malattie rendono spesso necessaria la riparazione o la sostituzione chirurgica. Quando una persona ha un dolore articolare, la preoccupazione principale è il sollievo dal dolore e il ritorno a uno stile di vita sano e funzionale. Questo di solito richiede la sostituzione di parti scheletriche che includono ginocchia, anche, articolazioni delle dita, gomiti, vertebre, denti e la riparazione della mandibola. Il mercato mondiale dei biomateriali è valutato a circa 24.000 milioni di dollari. Le applicazioni ortopediche e dentali rappresentano circa il 55% del mercato totale dei biomateriali. I prodotti ortopedici in tutto il mondo hanno superato i 13 miliardi di dollari nel 2000, un aumento del 12% rispetto alle entrate del 1999. Si prevede che l’espansione in queste aree continuerà a causa di una serie di fattori, tra cui l’invecchiamento della popolazione, una crescente preferenza da parte dei candidati più giovani e di mezza età per intraprendere la chirurgia, miglioramenti nella tecnologia e nello stile di vita, una migliore comprensione della funzionalità del corpo, una migliore estetica e la necessità di una migliore funzione.
Biomateriali
I biomateriali per definizione sono “una sostanza non farmacologica adatta ad essere inclusa in sistemi che aumentano o sostituiscono la funzione di tessuti o organi corporei”. Già un secolo fa sono stati sviluppati materiali e dispositivi artificiali al punto da poter sostituire vari componenti del corpo umano. Questi materiali sono in grado di stare a contatto con i fluidi e i tessuti corporei per periodi di tempo prolungati, pur suscitando poche o nessuna reazione avversa.
Sviluppo storico dei biomateriali
Alcune delle prime applicazioni dei biomateriali risalgono all’antica Fenicia, dove i denti sciolti erano legati insieme con fili d’oro per legare quelli artificiali ai denti vicini. All’inizio del 1900 le placche ossee furono applicate con successo per stabilizzare le fratture ossee e accelerare la loro guarigione. Mentre tra gli anni ’50 e ’60, la sostituzione dei vasi sanguigni era in fase di sperimentazione clinica e le valvole cardiache artificiali e le articolazioni dell’anca erano in fase di sviluppo.
Fattori di progettazione per i biomateriali
Anche nelle fasi preliminari di questo campo, i chirurghi e gli ingegneri hanno identificato i materiali e i problemi di progettazione che hanno portato alla perdita prematura della funzione dell’impianto per guasto meccanico, corrosione o biocompatibilità inadeguata del componente. I fattori chiave nell’uso di un biomateriale sono la sua biocompatibilità, la biofunzionalità e, in misura minore, la disponibilità. Le ceramiche sono candidati ideali per quanto riguarda tutte le funzioni di cui sopra, tranne il loro comportamento fragile.
Materiali per impianti
È stato accettato che nessun materiale estraneo inserito in un corpo vivente è completamente compatibile. Le uniche sostanze che sono completamente conformi sono quelle prodotte dal corpo stesso (autogene) e qualsiasi altra sostanza che viene riconosciuta come estranea, inizia un qualche tipo di reazione (risposta ospite-tessuto). I quattro tipi di risposta, che permettono diversi mezzi per ottenere l’attaccamento degli impianti al sistema scheletrico muscolare, sono riportati nella Figura 1.
Figura 1. Classificazione dei biomateriali secondo la loro bioattività (a) impianto dentale in allumina bioinerte, (b) rivestimento in idrossiapatite bioattiva su un impianto dentale metallico, (c) biovetro attivo in superficie e (d) fosfato tricalcico bioassorbibile ( impant.
Classificazioni dei biomateriali
Quando un materiale sintetico viene inserito nel corpo umano, i tessuti reagiscono verso l’impianto in una varietà di modi a seconda del tipo di materiale. Il meccanismo di interazione del tessuto (se esiste) dipende dalla risposta del tessuto alla superficie dell’impianto. In generale, ci sono tre termini in cui un biomateriale può essere descritto o classificato per rappresentare le risposte dei tessuti. Questi sono bioinerte, bioresorbibile e bioattivo, che sono ben coperti in una serie di eccellenti articoli di revisione.
Biomateriali bioinerte
Il termine bioinerte si riferisce a qualsiasi materiale che una volta inserito nel corpo umano ha un’interazione minima con il tessuto circostante, esempi di questi sono acciaio inossidabile, titanio, allumina, zirconia parzialmente stabilizzata e polietilene ad alto peso molecolare. Generalmente una capsula fibrosa può formarsi intorno agli impianti bioinerti, quindi la sua biofunzionalità si basa sull’integrazione dei tessuti attraverso l’impianto (Figura 1a).
Bioactive Biomaterials
Bioactive si riferisce a un materiale che, dopo essere stato inserito nel corpo umano, interagisce con l’osso circostante e, in alcuni casi, anche con i tessuti molli. Ciò avviene attraverso una modifica cinetica dipendente dal tempo della superficie, innescata dal loro impianto nell’osso vivo. Una reazione di scambio ionico tra l’impianto bioattivo e i fluidi corporei circostanti porta alla formazione di uno strato di apatite carbonatica biologicamente attiva (CHAp) sull’impianto che è chimicamente e cristallograficamente equivalente alla fase minerale dell’osso. I primi esempi di questi materiali sono l’idrossiapatite sintetica, la vetroceramica A-W e il bioglass® (Figura 1b e c)).
Bioresorbibili Biomateriali
Bioresorbibili si riferisce a un materiale che al momento del posizionamento nel corpo umano inizia a dissolversi (riassorbito) e lentamente sostituito dal tessuto che avanza (come l’osso). Esempi comuni di materiali bioresorbibili sono il fosfato tricalcico e i copolimeri di acido polilattico-poliglicolico. L’ossido di calcio, il carbonato di calcio e il gesso sono altri materiali comuni che sono stati utilizzati negli ultimi tre decenni (Figura 1d).