Può un materiale artificiale interagire con i tessuti biologici stimolandone la riparazione e la rigenerazione? La risposta affermativa a questa domanda è l’ambizioso obiettivo di chi, come noi, fa ricerca nel campo dei biomateriali.
Le interazioni tra materiale e ambiente biologico interessano soprattutto l’interfaccia tra le due superfici e sono fortemente influenzate dalle proprietà della superficie artificiale impiantata. Essa può inviare all’ambiente biologico diversi segnali che sono principalmente: stimoli meccanici (legati soprattutto alle proprietà meccaniche del materiale, quindi alla sua capacità di resistere a certi carichi), stimoli fisici (come la rugosità superficiale, che può aiutare le cellule ad attaccarsi alla superficie e “solleticarle” per stimolare la loro attività), stimoli chimici (legati agli ioni rilasciati dal materiale e ai particolari gruppi chimici che vengono esposti) e, infine, stimoli biologici (se sulla superficie sono presenti ad esempio proteine o enzimi, capaci di “parlare alle cellule nel loro stesso linguaggio”). L’ambiente biologico non rimane inerte di fronte a tali stimoli ma risponde favorendo l’adsorbimento di particolari proteine e la crescita/metabolismo di alcune cellule a scapito di altre.
La realizzazione di una comunicazione efficace tra i due ambienti permette di effettuare impianti in grado di favorire una guarigione dei tessuti più rapida e fisiologica.
La ricerca nel campo dei biomateriali ha tra i sui obiettivi quello di scegliere i materiali più adatti a interagire con i tessuti biologici e modificarne la loro superficie in modo da stimolare una risposta appropriata da parte dell’organismo. L’adeguatezza di questa risposta dipende dalla particolare applicazione.
Consideriamo ad esempio gli impianti destinati al contatto con l’osso, quali protesi ortopediche e dentali. L’obiettivo in questo caso è promuovere l’integrazione, la rigenerazione e il recupero funzionale dell’osso a contatto con il materiale artificiale; a seguito dell’impianto si ha una sorta di corsa per conquistare superficie nella quale le cellule spesso si trovano a competere anche con i batteri. Un materiale ottimale deve far si che siano le cellule a vincere la competizione ed eventualmente sconfiggere i batteri.
Vediamo ora qualche esempio concreto, proveniente direttamente dai laboratori che ogni giorno fanno ricerca con l’ambizione di migliorare le soluzioni cliniche attualmente disponibili e la qualità di vita dei pazienti.
1. Il titanio: materiale d’eccellenza nella realizzazione di impianti ortopedici e dentali.
Nei laboratori del Politecnico di Torino, in collaborazione con lo Spin-off Bionica Tech, è stato sviluppato e brevettato un nuovo processo termo-chimico di modifica della superficie di questo metallo in grado di velocizzare e migliorare l’osteointegrazione degli impianti ortopedici e dentali. A seguito del trattamento la superficie diventa rugosa su diverse scale (micro e nano) e può quindi aiutare le cellule ad attaccarsi ad essa ma anche “solleticarle” affinchè siano attive nel processo di guarigione dell’osso. A contatto con i fluidi biologici inoltre questa superficie stimola la formazione di una sostanza simile alla parte minerale dell’osso (idrossiapatite).
Per ottenere una comunicazione più specifica con le cellule è possibile legare alla superficie anche delle molecole in grado di stimolarle direttamente; nei nostri laboratori abbiamo legato con successo la fosfatasi alcalina, un enzima coinvolto nei processi di mineralizzazione dell’osso.
Guerra aperta contro i batteri? La superficie può essere arricchita con un agente antibatterico senza perdere le altre proprietà.
2. I vetri bioattivi: interessanti candidati per la realizzazione di piccoli sostitutivi ossei e rivestimenti su substrati metallici.
Vetri sì, ma caratterizzati da particolari composizioni chimiche che a contatto con i fluidi biologici, sono in grado di produrre uno strato di calcio e fosforo simile alla parte minerale dell’osso, detto idrossiapatite. La formazione di questo strato fa sì che l’osso possa crescere direttamente sulla superficie artificiale. Modulando la composizione chimica di questi vetri è possibile ottenere materiali con proprietà specifiche diverse.
Inoltre la loro superficie può essere ulteriormente modificata, sia introducendo molecole in grado di stimolare direttamente le cellule, “parlando il loro stesso linguaggio” (proteine o enzimi), che ioni antibatterici, come l’argento, capaci ostacolare e fermare le corsa dei batteri verso la superficie.
3. Superfici antibatteriche per qualsiasi applicazione.
La possibilità di far fronte alla contaminazione batterica è un’esigenza sempre più sentita, non solo nel campo medico, ma anche nella vita quotidiana. Una tecnica per fare rivestimenti versatili è quella dello sputteringche “strappa” gruppi di atomi dai materiali scelti come target per depositarli su di un substrato. Nei laboratori del Politecnico di Torino, in collaborazione con l’Istituto Superiore Mario Boella sono stati messi a punto rivestimenti caratterizzati da nanoparticelle di argento metallico immerse in una matrice di silice, in grado di conferire proprietà antibatteriche a qualsiasi superficie (dai dispositivi medici alle superfici che vengono adoperate da numerose persone).
Nell’ambito di progetti di ricerca finanziati dalla regione Piemonte (NABLA) e dalla Comunità Europea, 7o programma quadro (NASLA) questo tipo di rivestimento sta portando alla realizzazione di protesi antibatteriche, ma anche telefoni cellulari, componenti per applicazioni spaziali, dispositivi di protezione individuale, materiali per l’industria alimentare possono essere protetti e diventare in grado di lanciare un duro attacco alla contaminazione batterica.
Questi sono soltanto alcuni esempi delle molte attività che ogni giorno vengono portate avanti nei laboratori del Politecnico di Torino, Dipartimento di Scienza Applicata e Tecnologia, nel settore dei Biomateriali.
Per saperne di più potete visitare il sito web:http://www.composites.polito.it.
