In chimica, un biomateriale è un materiale che si interfaccia bene con i sistemi biologici, siano essi tessuti viventi, microrganismi o organismi."Terminology for biorelated polymers and applications (IUPAC Recommendations 2012)". Pure and Applied Chemistry 84 (2): 377–410. 2012. doi:10.1351/PAC-REC-10-12-04. Un nanobiomateriale è un biomateriale specificatamente nella nanoscala.
In campo biomedico, si parla di doppia interazione tra il biomateriale e l'organismo ricevente: il biomateriale provoca una risposta biologica dell'organismo, che a sua volta causa un processo di degradazione nel biomateriale stesso. Le interazioni avvengono a diversi livelli: fisico-chimico, molecolare e cellulare.
L'ambiente operativo di un biomateriale è fisiologico, caratterizzato da una notevole attività chimica e da un elevato intervallo di sollecitazioni meccaniche.
I biomateriali sono in diretto contatto con i fluidi biologici, ovvero acqua con ioni in soluzione e co-presenza di enzimi, proteine e cellule. Le condizioni fisico-chimiche (pH, temperatura) sono pressoché costanti nel tempo, e questo influisce sul progetto e sulla "vita" di un biomateriale.
Un concetto fondamentale per quanto riguarda i biomateriali è quello di biocompatibilità, che è l'abilità di un materiale di agire determinando un'appropriata risposta dell'ospite in una data applicazione.Consensus Development Conference, 1986.
Storia
La storia dei biomateriali può essere riassunta in tre tappe fondamentali: Biomateriali di prima generazione: il requisito fondamentale per il materiale è di essere bioinerte, ovvero biocompatibile, l'obiettivo è ottenere una combinazione adeguata di proprietà fisiche uguali a quelle del tessuto sostituito, con una tossicità minima.
Biomateriali di seconda generazione: si richiede al materiale di essere bioattivo, ovvero di provocare azioni e reazioni controllate nell'ambiente fisiologico, o riassorbibile, cioè degradarsi chimicamente e riassorbirsi in maniera controllata, in modo da essere sostituito dal tessuto che lo ospita. (pioniere nel 1968 Larry Hench)
Biomateriali di terza generazione: il materiale deve essere sia bioattivo che riassorbibile biodegradabile. Devis Bellucci, Materiali per la vita. Le incredibili storie dei biomateriali che riparano il nostro corpo., 2022, Bollati Boringhieri, Torino, ISBN 978 88339 3778 6
Applicazioni
In generale, un biomateriale è utilizzato per costruire dispositivi e impianti biomedici, specificamente progettati per esplicare determinate funzioni nell'organismo. Anche le attrezzature chirurgiche, i materiali utilizzati nelle biomacchine e i dispositivi per il rilascio controllato di farmaci sono esempi di biomateriali. Fra le principali applicazioni vi sono lenti intraoculari, dializzatori, protesi d'anca e di ginocchio, valvole cardiache, elettrodi stimolatori, cateteri anche in campo odontotecnico.
Classificazione
I biomateriali si possono classificare in base alla natura chimica del materiale stesso: metallici, polimerici, ceramici e compositi. Possono anche essere di derivazione biologica.
I metalli più usati come biomateriali sono gli acciai inossidabili, le leghe di cromo-cobalto e le leghe di titanio. In molti casi le parti metalliche si combinano con polimeri e materiali ceramici (nelle protesi d'anca, ad esempio). Gli acciai inossidabili hanno una percentuale totale di nichel (aumenta la tenacità) e cromo (migliora la resistenza a corrosione) del 23%. Le leghe di titanio sono largamente usate, dovuto all'ottima biocompatibilità del titanio, alla resistenza alla corrosione e alle eccellenti (per le applicazioni biomediche) proprietà meccaniche, essendo l'unico inconveniente l'eccessiva usura. Anche le leghe a memoria di forma trovano importanti applicazioni come biomateriali, soprattutto quelle di nickel-titanio. Nel caso di tessuti duri, le proprietà ideali che un metallo dovrebbe avere sono: (i) una notevole resistenza alla corrosione e all'usura, (ii) un modulo elastico simile a quello dell'osso (10-40 GPa), (iii) un'eccellente biocompatibilità con un ottimo grado di osteointegrazione e (iv) un'adeguata resistenza a fatica.
Le bioceramiche, relativamente agli altri biomateriali, hanno un alto modulo elastico, una durezza maggiore, sono molto resistenti alla corrosione. Il grosso problema è rappresentato dalla bassa tenacità e dunque dalla maggiore fragilità. Le bioceramiche sono poco reattive chimicamente all'interno dell'organismo. Tra le bioceramiche più utilizzate vi sono l'allumina, l'idrossiapatite e l'ossido di zirconio, o zirconia. Si possono classificare secondo il modo di applicazione: vetri densi, porosi, granuli, cementi, rivestimenti, riempimenti in materiali compositi. Possono essere inerti, bioattive e riassorbibili (il fosfato tricalcico ad esempio), o presentare una superficie bioattiva.
I polimeri come biomateriali hanno molti vantaggi: proprietà fisiche, chimiche e meccaniche simili a quelle dei tessuti vivi, facilità di lavorazione e ottenimento in diverse forme, bassa densità. Anche i polimeri possono essere bioinerti oppure degradabili. Per gli inerti, le applicazioni più comuni sono: lenti a contatto, cementi ossei acrilici, coppie d'attrito nelle protesi articolari. Tra i materiali maggiormente utilizzati possiamo annoverare il PMMA, il PDMS, e il UHMWPE (polietilene ad altissimo peso molecolare). Ai polimeri degradabili si demanda che anche i prodotti di degradazione siano biocompatibili. Uno di questi è l'acido polilattico, che si utilizza sempre più nell'ingegneria tissutale. La degradazione di un polimero avviene: per assorbimento di acqua seguito dall'idrolisi dei legami instabili (degradazione idrolitica) o per mezzo di enzimi o microorganismi (biodegradazione).
Note
Bibliografia
Pietrabissa, R., "Biomateriali per protesi e organi artificiali". Patron Editore (1996) Ratner, B. Hoffmann A.S., Schoen F.J., Lemons, J.E., “Biomaterials Science. An introduction to materials in medicine”. Academic Press. San Diego (1996). Hench, L. L., Poland, J. M., Science Vol. 295. no. 5557, pp. 1014 - 1017. Middleton, J.C.,Tipton A.J., “Synthetic biodegradable polymers as orthopaedic devices”. Biomaterials 21 (2000) 2335-2346
Voci correlate
Sostituto osseo Ingegneria biomedica Nanomedicina
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