Materiali che curano: come nasce la biocompatibilità

Dalle protesi usate in medicina estetica agli impianti dentali, dagli stent impiegati in cardiologia per supportare le pareti dei vasi sanguigni ed evitare restringimenti garantendo il passaggio del sangue a placche, viti e giunture adoperate in ortopedia per ricreare articolazioni danneggiate e riparare fratture, ma anche siringhe, bisturi, pacemaker: tutto ciò che viene a contatto con il corpo umano e interagisce con l’organismo deve essere compatibile con i nostri tessuti, fluidi e organi. E la medicina moderna sta sempre più cercando di creare materiali biocompatibili, che si “fondano” con quelli del corpo, integrandosi in modo naturale con i tessuti viventi, raggiungendo una compatibilità, una sintonia e un equilibrio funzionale e biologico, come spiega Serena Del Turco, dell’Istituto di fisiologia clinica (Ifc) del Cnr di Pisa: “La biocompatibilità deve essere intesa come la capacità di un materiale, di un dispositivo medico di svolgere la propria funzione, inducendo una risposta biologica appropriata, senza effetti avversi nel paziente. Non è quindi un concetto riferito esclusivamente alla tossicità del materiale, ma prende in considerazione anche molti altri aspetti, quali la degradabilità e le proprietà meccaniche. Pertanto, non si tratta di una proprietà intrinseca o statica, ma è il risultato di una interazione dinamica tra le caratteristiche del materiale, del dispositivo, del sito di applicazione, e del tempo di esposizione del biomateriale nell'organismo”.

La biocompatibilità inizia nel momento in cui la superficie del materiale incontra i fluidi biologici, processo che innesca una sequenza di risposte da parte del sistema immunitario, che determinano se il corpo riconoscerà l'oggetto come accettabile o come minaccia. Le caratteristiche chimiche e fisiche della superficie influenzano questa interazione e aspetti come la rugosità, la carica elettrica e l'affinità con l'acqua, determinano quali proteine si legheranno e come si orienteranno nello spazio. Sarà proprio questo primo strato proteico a coordinare il comportamento delle cellule immunitarie determinando il successo o il fallimento dell'impianto nel tempo. Le applicazioni dipendono, quindi, proprio dalla natura del biomateriale stesso e spaziano dalla rigenerazione delle ferite, alla riparazione delle valvole cardiache.

“Ci sono diverse classi di materiali biocompatibili. Tra i metalli sono noti il titanio e alcune sue leghe. Ci sono poi i materiali ceramici con elevata resistenza meccanica che sono generalmente utilizzati in impianti dentali. Molto impiegata è, ad esempio, l’idrossiapatite, un minerale naturale che rappresenta la componente maggiormente significativa delle nostre ossa, che viene utilizzata per la remineralizzazione dei denti e per promuovere la rigenerazione dei tessuti e l'osteointegrazione”, commenta Luana Persano dell’Istituto nanoscienze (Nano) del Cnr. “Altri materiali biocompatibili sono i polimeri, tra cui troviamo quelli bioinerti come il polidimetilsilossano (Pdms), approvati per la realizzazione di impianti, e quelli biodegradabili che si decompongono nel tempo e vengono assorbiti o espulsi dal corpo umano. Tra i polimeri biocompatibili e biodegradabili, che possono essere di origine sintetica o naturale, troviamo l’acido polilattico (Pla), il policaprolattone (Pcl) e l’acido poliglicolico (Pga). Ma anche la cellulosa, il collagene, il chitosano e la gelatina. Questi polimeri si possono utilizzare in ingegneria tissutale, per impianti ortopedici e per la progettazione di vari dispositivi medici”.

Prima che un nuovo biomateriale possa essere utilizzato clinicamente, deve però superare una serie rigorosa di test di biocompatibilità standardizzati. “Per verificare la compatibilità di questi materiali esiste un percorso ben strutturato e regolamentato da normative internazionali come le norme Iso 10993 per la valutazione biologica dei dispositivi medici, che garantiscono la sicurezza dei prodotti a contatto con il corpo umano, e il Medical Device Regulation stabilito dall’Unione Europea “, sottolinea Del Turco. “La valutazione dei biomateriali parte quindi da analisi di laboratorio in vitro su cellule, per poi passare a test su animali e, infine, a verifiche cliniche sull’uomo. Il tutto serve per studiare la tossicità del materiale, la citocompatibilità. Ad esempio, in campo vascolare, si deve valutare l’emocompatibilità per verificare se i biomateriali che vengono a contatto diretto con il sangue non inneschino fenomeni di attivazione o aggregazione piastrinica o formazione di trombi che potrebbero causare danni all’organismo. Se un biomateriale non è compatibile, infatti, il corpo scatena reazioni di difesa perché percepisce la presenza di un elemento estraneo e avvia una cascata di eventi cellulari e molecolari che portano a processi infiammatori”.

Non si cercano però solo materiali inerti che non inducano reazioni avverse, ma anche composti che possano interagire con i tessuti, rilasciare farmaci e che modulino e promuovano la risposta cellulare. Tutto ciò è possibile anche grazie alle nuove tecnologie. “I sistemi di stampa 3D e le nanostrutture hanno delle proprietà uniche, che permettono di costruire geometrie e materiali che soddisfano le esigenze anatomiche e funzionali dei pazienti e che possono essere impiegati nel trattamento localizzato di malattie, ad esempio attraverso il rilascio di farmaci”, evidenzia Persano. “Un caso interessante è rappresentato da nanoparticelle rivestite di materiali biodegradabili e biocompatibili in grado di eludere il sistema immunitario e arrivare alla sede di interesse consentendo un rilascio terapeutico prolungato e specifico.

“Grazie all’uso della stampa 3D è stato inoltre possibile creare scaffold biocompatibili, strutture che favoriscono la rigenerazione dei tessuti complessi come pelle, muscoli, cartilagini”, aggiunge Del Turco. “I biomateriali sfruttano poi gli avanzamenti nel settore della nanotecnologia, grazie ai quali è possibile modificare le superfici su scala nanometrica e controllare in modo ancora più preciso la compatibilità e l'interazione con l’organismo, migliorando l'integrazione dell'impianto e riducendo i processi di infiammazione”.

Ma ci sono anche altri dispositivi. “Un altro esempio interessante è rappresentato dallo sviluppo di biosensori che permettono il monitoraggio continuo dei segnali biologici di chi li indossa e che in futuro potranno addirittura essere autoalimentati, riducendo l’impatto degli interventi chirurgici necessari per la sostituzione di batterie, come nel caso dei pacemaker”, afferma Persano.

Ma la frontiera su cui ci si sta concentrando, e attualmente ancora in fase di studio, è quella dei materiali dinamici, “smart”. “In grado di rispondere in tempo reale a sollecitazioni biologiche, a stimoli infiammatori e a cambiamenti di pH, questi biomateriali saranno capaci di adattarsi anche modificando la propria forma, composizione e struttura e permetteranno di rilasciare fattori attivi localmente, quando necessario, in base al microambiente in cui si trovano”, puntualizza Del Turco.

“Una sfida importante consisterà poi nel rendere questi materiali il più possibile personalizzati, tenendo in conto gli aspetti legati al singolo paziente, come fattori genetici, immunologici e compresenza di altre patologie”, conclude Persano.

Fonte: Serena Del Turco, Istituto di fisiologia clinica, serena.delturco@ifc.cnr.it; Luana Persano, Istituto nanoscienze, luana.persano@nano.cnr.it