La biocompatibilità è legata al comportamento dei biomateriali in vari ambienti in varie condizioni chimiche e fisiche. Il termine può riferirsi a specifiche proprietà di un materiale senza specificare dove o come il materiale deve essere usato. Per esempio, un materiale può suscitare poca o nessuna risposta immunitaria in un dato organismo, e può o non può integrarsi con un particolare tipo di cellula o tessuto. I biomateriali immuno-informati che dirigono la risposta immunitaria piuttosto che tentare di aggirare il processo è un approccio che mostra la promessa. L’ambiguità del termine riflette il continuo sviluppo di intuizioni su “come i biomateriali interagiscono con il corpo umano” ed eventualmente “come queste interazioni determinano il successo clinico di un dispositivo medico (come il pacemaker o la sostituzione dell’anca)”. I moderni dispositivi medici e le protesi sono spesso composti da più di un materiale, quindi potrebbe non essere sempre sufficiente parlare della biocompatibilità di un materiale specifico. L’impianto chirurgico di un biomateriale nel corpo scatena una reazione infiammatoria dell’organismo con la relativa guarigione del tessuto danneggiato. A seconda della composizione del materiale impiantato, della superficie dell’impianto, del meccanismo di affaticamento e della decomposizione chimica sono possibili diverse altre reazioni. Queste possono essere sia locali che sistemiche. Queste includono la risposta immunitaria, la reazione da corpo estraneo con l’isolamento dell’impianto con un tessuto connettivo vascolare, la possibile infezione e l’impatto sulla durata di vita dell’impianto. La malattia da innesto contro l’ospite è un disordine auto- e alloimmune, che presenta un decorso clinico variabile. Può manifestarsi in forma acuta o cronica, colpendo più organi e tessuti e causando gravi complicazioni nella pratica clinica, sia durante il trapianto che nell’implementazione di materiali biocompatibili.
Plastiche biocompatibiliModifica
Alcuni dei materiali biocompatibili (o biomateriali) più comunemente usati sono i polimeri grazie alla loro intrinseca flessibilità e alle proprietà meccaniche regolabili. I dispositivi medici fatti di plastica sono spesso fatti di pochi selezionati tra cui: copolimero olefinico ciclico (COC), policarbonato (PC), polieterimmide (PEI), polivinilcloruro (PVC) di grado medico, polietersulfone (PES), polietilene (PE), polieteretereterchetone (PEEK) e anche polipropilene (PP). Per garantire la biocompatibilità, ci sono una serie di test regolamentati che il materiale deve superare per essere certificato per l’uso. Questi includono il test di reattività biologica della Farmacopea degli Stati Uniti IV (USP Classe IV) e la valutazione biologica dei dispositivi medici della International Standards Organization 10993 (ISO 10993). L’obiettivo principale dei test di biocompatibilità è quello di quantificare la tossicità acuta e cronica del materiale e determinare qualsiasi potenziale effetto avverso durante le condizioni d’uso, quindi i test richiesti per un dato materiale dipendono dal suo uso finale (cioè sangue, sistema nervoso centrale, ecc.).
Proprietà meccanicheModifica
Oltre a un materiale certificato come biocompatibile, i biomateriali devono essere progettati specificamente per la loro applicazione target all’interno di un dispositivo medico. Questo è particolarmente importante in termini di proprietà meccaniche che governano il modo in cui un dato biomateriale si comporta. Uno dei parametri più rilevanti del materiale è il modulo di Young, E, che descrive la risposta elastica di un materiale alle sollecitazioni. I moduli di Young del tessuto e del dispositivo che viene accoppiato ad esso devono corrispondere strettamente per una compatibilità ottimale tra il dispositivo e il corpo, sia che il dispositivo sia impiantato o montato esternamente. La corrispondenza del modulo elastico permette di limitare il movimento e la delaminazione alla biointerfaccia tra l’impianto e il tessuto e di evitare la concentrazione di stress che può portare alla rottura meccanica. Altre proprietà importanti sono le resistenze alla trazione e alla compressione che quantificano le sollecitazioni massime che un materiale può sopportare prima di rompersi e possono essere utilizzate per fissare i limiti di stress a cui un dispositivo può essere soggetto all’interno o all’esterno del corpo. A seconda dell’applicazione, può essere auspicabile che un biomateriale abbia un’alta resistenza in modo che sia resistente alla rottura quando è sottoposto a un carico, tuttavia in altre applicazioni può essere utile che il materiale sia a bassa resistenza. C’è un attento equilibrio tra forza e rigidità che determina quanto sia resistente al cedimento il dispositivo biomateriale. In genere, man mano che l’elasticità del biomateriale aumenta, il carico di rottura diminuisce e viceversa. Un’applicazione in cui un materiale ad alta resistenza non è desiderato è nelle sonde neurali; se un materiale ad alta resistenza viene usato in queste applicazioni, il tessuto cederà sempre prima del dispositivo (sotto carico applicato) perché il modulo di Young della dura madre e del tessuto cerebrale è dell’ordine di 500 Pa. Quando questo accade, possono verificarsi danni irreversibili al cervello, quindi il biomateriale deve avere un modulo elastico inferiore o uguale al tessuto cerebrale e una bassa resistenza alla trazione se è previsto un carico applicato.
Per i biomateriali impiantati che possono subire fluttuazioni di temperatura, ad esempio gli impianti dentali, la duttilità è importante. Il materiale deve essere duttile per una ragione simile al fatto che la resistenza alla trazione non può essere troppo alta, la duttilità permette al materiale di piegarsi senza fratture e impedisce anche la concentrazione delle sollecitazioni nel tessuto quando la temperatura cambia. La proprietà del materiale della tenacità è importante anche per gli impianti dentali e per qualsiasi altro impianto rigido e portante come un’articolazione dell’anca. La tenacità descrive la capacità del materiale di deformarsi sotto lo stress applicato senza fratturarsi e avere un’alta tenacità permette agli impianti di biomateriali di durare più a lungo all’interno del corpo, specialmente quando sono sottoposti a grandi stress o a sollecitazioni cicliche, come le sollecitazioni applicate a un’articolazione dell’anca durante la corsa.
Per i dispositivi medici che sono impiantati o attaccati alla pelle, un’altra importante proprietà che richiede considerazione è la rigidità flessionale, D. La rigidità flessionale determinerà quanto bene la superficie del dispositivo può mantenere un contatto conforme con la superficie del tessuto, che è particolarmente importante per i dispositivi che misurano il movimento del tessuto (deformazione), i segnali elettrici (impedenza), o sono progettati per aderire alla pelle senza delaminarsi, come nell’elettronica epidermica. Poiché la rigidità flessionale dipende dallo spessore del materiale, h, alla terza potenza (h3), è molto importante che un biomateriale possa essere formato in strati sottili nelle applicazioni precedentemente menzionate dove la conformità è fondamentale.