Biomateriali sono considerati “tutti i materiali o loro combinazioni, sia sintetici, naturali che ibridi impiegati per il trattamento, miglioramento o sostituzione di tessuti, organi o funzioni del corpo umano” ma al di là della definizione, biomateriali sono tutti quei materiali che sono stati specificatamente progettati o sono utilizzati in applicazioni biomediche. Questi materiali possono essere di origine biologica o sintetica e costituiscono i componenti delle protesi.

Si può dire che la storia dei biomateriali e quindi la loro utilizzazione per le protesi è antichissima, tanto è stato sempre nell’uomo il desiderio e la necessità di sostituire parti del corpo umano difettose, per migliorare la qualità della vita. Così mentre i fenici legavano insieme i denti artificiali a quelli naturali con fili d’oro (Fig. 1), in antiche tombe egizie sono state scoperte mummie con protesi di vari metalli principalmente ferro (Fig. 2).

Dati storici dimostrano che il ferro, usato per la prima volta sia in Mesopotamia, che in Egitto era probabilmente di origine meteorica. Il metallo, chiamato dagli egiziani baa-eu-pet cioè il ferro del cielo, fece sorgere l’idea che il cielo, da cui esso proveniva, fosse composto da un piatto di ferro.

Più recentemente nel “De eruto ed ammisso oculo”, Fabrizio d’Acquapendente (Venezia 1619) parla di occhio artificiale: “Per correggere la deformità che residua all’enucleazione o la perdita di un occhio, bisogna rimpiazzarlo con un occhio di vetro, di pietra,d’argento o di un’altra materia che sia il piu’ possibile rassomigliante per colore, forma e grandezza. Se l’occhio è rimosso interamente bisogna adattare uno sferico; se ne rimane una parte,bisogna applicare un guscio concavo in vetro”.
Le materie plastiche hanno portato ad un notevole miglioramento delle protesi, almeno, per la loro leggerezza. Eppure la loro introduzione nel campo dei biomateriali è una storia recente e casuale. Sempre per rimanere nel campo oculistico, anche se il PMMA (polimetilmetacrilato) era conosciuto fin dal 1800 il suo utilizzo come materiale per lenti intraoculari avvenne subito dopo la seconda guerra mondiale, quando Sir John Charnley si accorse che i piloti feriti nell’occhio da schegge di PMMA provenienti dall’esplosione della finestra della cabina di pilotaggio del loro aereo, non riportavano reazioni da corpo estraneo cosa che avveniva per il vetro.

Una veloce scorsa alla letteratura sui biomateriali mostra che c’è stata una transizione dal pragmatismo o casualità di alcuni ricercatori nell’utilizzare materiali polimerici per protesi, ad una ricerca più controllata e posta su basi più scientifiche.

Basti pensare che il PVC (polivinilcloruro) il materiale di cui è costituita la gomma per annaffiare, è stato per molti anni lo stesso materiale usato per protesi. Tentativi più recenti hanno portato a selezionare i polimeri commercialmente disponibili purificandoli il più possibile ed ad usarli come un punto di partenza nella fabbricazione delle protesi. E questo per cercare di evitare sempre di più i problemi derivanti dall’uso non corretto dei materiali che devono entrare in contatto con il corpo umano. Oggi la tendenza è quella di ricercare e sintetizzare biomateriali per applicazioni specifiche.Così sono stati sviluppati materiali sui quali non avviene il processo di coagulazione del sangue, protesi ossee con capacità osteointegrative, mentre i sistemi di rilascio controllato dei farmaci sono oramai usati annualmente da decine di milioni di persone, stent aorto coronarici sono stati ricoperti da materiali che impediscono il fenomeno della restenosi, combinando polimeri con cellule del paziente è possibile costruire una nuova pelle per le persone che hanno subito bruciature o presentano delle ulcere e tanti altri esempi.

Uno studio interdisciplinare ed una ricerca integrata nel campo dei polimeri per applicazioni biomediche nacque da un progetto promosso dall’NIH (Istituto Nazionale per la Salute, negli U.S.A.) nel 1960. L’Istituto finanziò una ricerca per nuovi materiali emocompatibili che dovevano essere utilizzati per il cuore artificiale. Questa data è considerata da molti l’inizio e la nascita della Scienza dei Biomateriali, una disciplina giovane che necessita del supporto di molte discipline più classiche come la Fisica, Chimica, Biologia, Ingegneria e Medicina. La caratteristica di questa scienza è proprio l’interdisciplinarità e l’ umiltà. Ci deve essere cioè una perfetta integrazione fra tutte le discipline, come anche la consapevolezza che nessuna disciplina è più importante delle altre. Insieme e solo in questo modo si può e si deve contribuire a capire il complesso mondo dei Biomateriali.

I biomateriali, per la loro funzione, entrano in contatto con i tessuti viventi, determinando un’interfaccia fra sostanze viventi e non viventi. L’ interfaccia è responsabile della biocompatibilità o in parole più semplici della possibilità che l’intorno biologico accetti e si integri con il materiale.

Da questa semplice constatazione è stata recuperata la domanda chiave della comprensione, secondo Aristotele:

PERCHE’?

E la necessità di una risposta è stata considerata come un’insopprimibile esigenza per la Scienza dei Biomateriali.

La scienza dei Biomateriali moderna è così caratterizzata da un’enfasi crescente sull’identificazione degli specifici parametri che sono critici per le loro performance e dalla necessità di integrare la natura del biomateriale con le nuove comprensioni che emergono dagli studi della biologia,che comprendono l’interazione cellula-matrice, i processi che sovrintendono ai segnali cellulari ed altri, utilizzando principi e metodi dell’ingegneria e delle scienze; da qui il nome di Ingegneria tessutale. Questa utilizza tutte le tecniche per “persuadere” l’organismo ad autorigenerarsi, autoricostruirsi, inserendo cellule specifiche o biomolecole nel sito appropriato, insieme alle strutture di supporto.
Quindi noi descriveremo nuovi concetti che stanno creando le direzioni future nella scienza dei biomateriali, nelle sue due applicazioni: terapeutica e diagnostica.

Terapeutica: sostituzione di tessuti biologici

Rigenerare o ingegnerizzare, come oramai si dice comunemente, nuovi tessuti od organi potrà un giorno diventare un’operazione di routine, per sostituire tessuti malati od organi malfunzionanti. Questi tessuti ingegnerizzati devono non solamente riempire un difetto ed integrarsi con il tessuto ospitante, ma spesso devono anche modificarsi, di concerto con le necessità dell’organismo che, crescendo, cambiano con il tempo.

Questo è possibile fornendo stimoli e fattori di crescita alle cellule da parte del biomateriale. Un esempio è rappresentato dall’allungamento delle ossa durante lo sviluppo, attraverso un processo chiamato ossificazione endocondrale. E’ stato possibile cotrapiantare condrociti e osteoblasti, cellule che sovrintendono alla ricrescita ossea, su idrogeli chimicamente modificati, in maniera che presentassero sulla loro catena macromolecolare la sequenza peptidica RGD (arginina-glicina-acido aspartico) che serve a promuovere l’adesione e conseguentemente la proliferazione delle cellule. Si sono così formati nuovi tessuti ossei che sono aumentati massivamente in maniera simile a quella riscontrata nella crescita delle ossa lunghe.

Gli idrogeli, che sono definiti come strutture tridimensionali di natura polimerica in grado di assorbire un elevato quantitativo di acqua, anche 99% in peso, senza andare incontro a fenomeni di solubilizzazione, stanno avendo una notevole importanza nello sviluppo dell’ingeneria tessutale perché servono di supporto alle cellule che devono costruire i tessuti.

Una proprietà che viene richiesta a questi idrogeli è la loro facile iniettabilità. Questa proprietà minimizzerebbe l’invasività di un’operazione chirurgica con tutti gli effetti che da questa ne conseguono.

Di sicuro molte applicazioni, anche nel campo odontoiatrico l’hanno avuta le soluzioni di monomeri che una volta posti in situ polimerizzano sotto condizioni blande e quindi in condizioni di non tossicità, citocompatibilità, per formare una sostanza solida. Oppure quelle di polimeri già preformati che sono liquidi a temperatura ambiente, ma che alla temperatura del corpo umano diventano estremamente viscosi.

Recentemente si sono però realizzati idrogeli tissotropici, cioè sostanze che diventano fluide quando risentono di uno stimolo meccanico, ad esempio la pressione del pistone di una siringa, ma che tornano allo stato di idrogelo quando lo stimolo meccanico è rimosso.
L’esempio che si fa comunemente per capire questa proprietà è il movimento o la pressione che si deve imprimere alla bottiglia di ketchup per fare uscire la salsa. Questi gel tissotropici sono stati utilizzati per intrappolare cellule nella loro massa dando luogo a quello che viene chiamato effetto “Ambra” permettendone anche la proliferazione. In figura si vedono cellule pancreatiche ingabbiate in un idrogel di CMCA, cioè carbossimetilcellulosa modificata.

Questi sistemi sono stati utilizzati anche per la cura dell’artrite, dato che i gel insieme ad un farmaco antinfiammatorio, possono essere facilmente siringati nel ginocchio di pazienti afflitti da questa malattia.

Combinando idrogeli biodegradabili e specifici tipi di cellule, sono stati ricostruiti vari tessuti come la cartilagine, l’osso e vasi capillari. Dopo il trasferimento dell’impalcatura impregnata di cellule nel corpo, l’impalcatura degrada e lo spazio prima occupato dal polimero è riempito dalle cellule che hanno proliferato dentro la struttura. E’ ben noto l’esperimento che è stato effettuato 7 anni fa su di un topo, sulla cui schiena si è fatto sviluppare un orecchio umano e che ha aperto la strada alla sostituzione dei tessuti umani con quelli ricostruiti da cellule, tramite appunto l’ingegneria tessutale.

La presenza dei polimeri nella struttura del gel può risultare indesiderabile per la rigenerazione di alcuni tessuti, ad esempio l’opacità e la rigidità del polimero inevitabilmente limita la formazione di un tessuto cardiaco e dell’occhio.

Con il rapido progresso nella comprensione delle cellule staminali, il loro uso clinico sembra promettente. Sono stati investigati nuovi metodi terapeutici che usano questa tecnologia. L’iniezione di una sospensione di cellule staminali qualche volta funziona. Comunque l’iniezione di una sospensione di singole cellule non sembra essere adatta per la ricostruzione di grandi tessuti e quindi organi, poiché solo una piccola percentuale di cellule staminali iniettate si integrano nel tessuto ospitante.

Recentemente si è sviluppata una tecnologia che permette l’utilizzazione di strati uniformi di cellule.

Fig. 7 - (A) Uno strato cellulare singolo è adatto per trapianti di pelle o in alcuni casi di cornea; (B)Stessi strati cellulari sono stratificati per ricostruire tessuti tridimensionali omogenei incluso il miocardio; (C) Diversi tipi di cellule sono stratificati insieme per produrre strutture laminari, incluso fegato e rene. Fig. 8 - Polimeri termosensibili costituiti da catene di PiPAAm (poli-N-isopropilacrilammide) aggraffati sul fondo di una capsula Petri su cui sono seminate le cellule. Fig. 9 - Procedura per l’utilizzazione di fogli di cellule staminali epiteliali sulla superficie corneale.

Questi strati di cellule possono essere trapiantati nel tessuto cardiaco e tre settimane dopo, si può registrare un elettrocardiogramma dovuto alle nuove cellule.

Applicazioni diagnostiche e in pratica chirurgica

Le tecniche moderne che richiedono l’impianto di device, molti di natura polimerica, spesso comportano una chirurgia complessa.

Come si può allora impiantare un device ingombrante o effettuare una sutura in uno spazio ristretto nel modo meno invasivo possibile?

Sono stati sintetizzati polimeri a memoria di forma che come dice la parola stessa, hanno la capacità di memorizzare una forma che è quella permanente e che è diversa da una forma iniziale, temporanea. Device ingombranti possono essere così introdotti nel corpo umano in una forma temporaneamente compatta per mezzo di una chirurgia minimamente invasiva, per poi espandersi a comando nel sito prescelto per raggiungere la forma richiesta permanente.

La transizione e la trasformazione tra la forma temporanea e quella permanente avviene per uno stimolo esterno come la temperatura.Il fenomeno è regolato infatti dalla temperatura di transizione del polimero (switching transition temperature).

Questo tipo di memoria di forma è stata ottenuto in differenti classi di materiali: polimerici, come alcuni poliuretani, copolimeri a blocchi polistirene-butadiene; idrogeli, leghe metalliche e ceramici.

Un problema nella chirurgia endoscopica riguarda la possibilità di formare un nodo con fili di sutura per chiudere un’incisione o aprire un lumen. È particolarmente difficile manipolare un filo di sutura cosi’ che i lembi della ferita combacino perfettamente. Quando il nodo è legato con troppa forza si può verificare la necrosi del tessuto circostante. Se invece la legatura è deiscente, si può formare un’ernia. Una possibile soluzione è rappresentata dall’uso di un filo di sutura chirurgica fatto da un polimero a memoria di forma, la cui forma temporanea si presenta estesa alla temperatura di 25°C. Questa filo di sutura può quindi essere applicato in modo lasco; quando la temperatura cresce a 37°C, al di sopra del Ttrans il polimero si contrae e stringe il nodo applicando la tensione ottimale.

Le nanotecnologie stanno acquistando un ruolo sempre più importante nel campo dei biomateriali. Queste interessano lo studio, la manipolazione, la creazione e l’uso di materiali, device e sistemi di dimensioni inferiori a 100 nanometri (10-9 metri), cioè talmente piccoli che non si vedono neppure al microscopio.
Sfruttando appunto le nano e microtecnologie si possono comprendere le interazioni che avvengono fra le superfici dei materiali e le proteine, basilari per spiegare il comportamento delle cellule.

Le cellule presentano dimensioni dell’ordine dei 10-20 micron, ma sulla membrana cellulare ci sono domini specifici di dimensioni dei nanometri.Inoltre le cellule incontrano strutture diverse sia da un punto di vista chimico che topografico,costituite da proteine o dai gruppi chimici sulla superficie dei vari materiali. Tutti questi domini e strutture nano o micrometriche stimolano diverse funzioni delle cellule e guidano il loro movimento oppure costituiscono dei confini o limiti per la loro adesione. Ad esempio è stato trovato che utilizzando la più semplice delle strutture topografiche, cioè uno scalino, questo se di altezza di 10 micron, rappresenta un ostacolo insormontabile al movimento dei fibroblasti.

Anche una struttura chimica diversa influenza il comportamento delle cellule. Sono state realizzate superfici micro e nanostrutturate contenenti domini costituiti da polisaccaridi quali acido ialuronico ed il suo derivato solfatato immobilizzati su diversi substrati. Le cellule evitano accuratamente i domini di acido ialuronico, come si vede dalla foto, preferendo addirittura costruire dei ponti per passare da un sito ad un altro, sotto cui “scorre” l’acido ialuronico.

Diverso è il caso quando si utilizzano strisce di acido ialuronico solfatato. In quest’ultimo caso infatti le cellule si muovono sulle strisce di HyalS evitando il vetro.
Realizzando queste superfici che riescono a modulare i due segnali cellula substrato e cellula-cellula si potrebbe pensare alla costruzione, con la forma appropriata, di nuovi tessuti.

Per tornare però alle applicazioni diagnostiche delle nanotecnologie sono stati costruiti device in cui microchip elettronici si interfacciano con sistemi biologici. Si sono ottenuti biosensori che a causa delle dimensioni submicrometriche, permettono una rapida analisi di molte sostanze contemporaneamente e in vivo. Le strutture utilizzate sono nanotubi, nanofibre, nanoparticelle. Queste ultime sono state quelle che hanno avuto le maggiori applicazioni.

Le dimensioni a livello di nanometri di questi sensori permette di effettuare misure in ambienti molto limitati come entro le cellule. Ad esempio sono state usate fibre ottiche con un diametro minore di 1 micron, ricoperte da anticorpi specifici per rilevare la presenza di sostanze chimiche tossiche entro ogni singola cellula. Questi sensori hanno potuto determinare la concentrazione di BPT, un derivato del benzopirene entro cellule di carcinoma umane e in cellule epiteliali di fegato di ratto.
La tecnica del self assembly monolayers (SAM) è un nuovo metodo per la micro e nano fabbricazione. Per definizione SAM è la spontanea organizzazione di molecole in condizioni di equilibrio termodinamico in strutture ben definite e stabili che si vengono a creare per la formazione di numerosi legami deboli quali legami ad idrogeno, di van der Waals etc. Organizzazioni simili si riscontrano in natura sia a livello macroscopico che microscopico. Basta pensare all’aggregazione spontanea degli uccelli per formare uno stormo nel cielo o di pesci nel mare per creare un branco di pesci o delle gocce di olio nell’acqua. Alcune molecole polimeriche danno quindi luogo ad un’associazione spontanea, formando strutture ordinate che possono essere utilizzate per l’ingegneria tessutale.

A seconda del tipo di molecole che vengono utilizzate, si ottengono strutture a incastro, o LEGO molecolare, interruttori molecolari dei quali si può variare la struttura molecolare cambiando parametri come il pH o la temperatura, o vernici molecolari nel caso in cui si formino monostrati che ricoprono completamente le superfici dei materiali. Nell’area dei biosensori enzimi stabilizzati forniscono il mezzo per lo sviluppo di strumenti analitici più efficaci ed attendibili. L’attività enzimatica risente enormemente delle variazioni di struttura e conformazionali della proteina. La stabilizzazione degli enzimi può avvenire confinandoli in strutture fisiche rigide quali quelle create dai SAM. Si è visto che dopo 80 ore di osservazione, mentre l’enzima m-AChE (acetilcolinosterasi) libero diminuiva la sua attività al 15%, lo stesso enzima confinato in una struttura rigida di un SAM, non variava per niente la sua attività.

Numerose sfide rimangono ancora aperte che riguardano lo sviluppo futuro dei biomateriali.Queste includono materiali che possano iniettare farmaci in cellule specifiche, materiali che possano risentire di segnali biochimici provenienti dal corpo umano, nuovi materiali con biocompatibilità migliorata e tante altre. La possibilità di risolvere favorevolmente queste sfide esiste se si crea un perfetto connubio delle discipline che sovrintendono alla scienza dei biomateriali. Conoscere molto di più sulla biologia della matrice extracellulare, dei recettori di cellula, della funzione delle proteine, aiuterà a capire come il corpo umano potrà rispondere a vari materiali. Analogamente studi sulle nano e micro strutture permetterà di guidare alcuni comportamenti delle cellule mentre gli studi di caratterizzazione dei materiali a livello atomico, permetterà di capire come le superfici si interfacciano con le proteine, le cellule ed i tessuti. Solo questo potrà portare a nuovi successi della scienza dei biomateriali, a creare nuove applicazioni e quindi a migliorare la qualità della vita umana.

Spero di avervene dati alcuni esempi convincenti.