Organi Artificiali e Protesi - Note Complete del Corso

Corso di Organi Artificiali e Protesi: Obiettivi e Definizioni Fondamentali

Il corso di Organi Artificiali e Protesi, tenuto dalla Prof.ssa Enza Torino presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica dei Materiali e della Produzione Industriale (DICMaPI) dell'Universit degli Studi di Napoli Federico II per l'A.A. 2025/2026, si propone diversi obiettivi formativi fondamentali. Questi includono la fornitura di informazioni dettagliate sulla relazione tra struttura e funzione dei biomateriali, l'illustrazione delle tecnologie di fabbricazione e manipolazione dei biomateriali, e la descrizione della composizione e del funzionamento di sistemi protesici complessi. Il corso prevede inoltre l'analisi dello sviluppo di dispositivi medici attraverso casi studio innovativi e incontri con esperti del settore. La struttura del corso divisa in due parti: la prima dedicata allo studio dei principali dispositivi medici, alla loro progettazione, ai materiali impiegati e ai requisiti clinici necessari; la seconda focalizzata sull'analisi di casi di studio innovativi e sullo sviluppo concreto di un dispositivo medico.

Ai sensi dell'articolo 2 del Regolamento (UE) 2017/745, il "dispositivo medico" definito come qualunque strumento, apparecchio, apparecchiatura, software, impianto, reagente, materiale o altro articolo destinato dal fabbricante a essere impiegato sull'uomo, da solo o in combinazione, per una o pi delle seguenti destinazioni d'uso mediche specifiche: diagnosi, prevenzione, monitoraggio, previsione, prognosi, trattamento o attenuazione di malattie (ad esempio, dispositivi per il monitoraggio del glucosio nel sangue); diagnosi, monitoraggio, trattamento, attenuazione o compensazione di una lesione o di una disabilit (ad esempio, impianti acustici); studio, sostituzione o modifica dell'anatomia oppure di un processo o stato fisiologico o patologico; fornitura di informazioni attraverso l'esame in vitro di campioni provenienti dal corpo umano (sangue, tessuti). Un requisito fondamentale che l'azione principale non deve essere esercitata mediante mezzi farmacologici, immunologici o metabolici, sebbene la funzione possa essere coadiuvata da tali mezzi.

Tra i prodotti considerati dispositivi medici si annoverano anche quelli per il controllo o il supporto al concepimento e i prodotti destinati alla pulizia, disinfezione o sterilizzazione dei dispositivi stessi. Il nuovo Regolamento Europeo 2017/745, entrato in vigore nel 2021, ha ampliato la categoria includendo nell'Allegato XVI strumenti per l'estetica, come lenti a contatto, prodotti per filling facciali o cutanei (esclusi tatuaggi), apparecchiature per liposuzione o lipolisi, e sorgenti di radiazioni elettromagnetiche ad alta intensit (laser, luce pulsata) per trattamenti dermici. Sono inclusi anche dispositivi per la stimolazione cerebrale tramite correnti o campi magnetici che attraversano il cranio per modificare l'attivit neuronale.

Classificazione dei Dispositivi e degli Enti Regolatori

Si definisce "dispositivo impiantabile" qualsiasi dispositivo, compresi quelli parzialmente o interamente assorbili, destinato a essere impiegato totalmente nel corpo umano o a sostituire una superficie epiteliale o oculare mediante intervento clinico, rimanendo in tale sede dopo l'intervento. considerato impiantabile anche un dispositivo introdotto parzialmente che rimanga in sede per un periodo di almeno $30$ giorni. Questi dispositivi interagiscono direttamente con il corpo presentando un'interfaccia con i tessuti biologici. La regolamentazione affidata a enti internazionali come la FDA (Food and Drug Administration) negli Stati Uniti e l'EMA (European Medicines Agency) in Europa, coadiuvata in Italia dall'AIFA (Agenzia Italiana del Farmaco). Nel panorama industriale, le principali aziende MedTech includono nomi come Boston Scientific, Medtronic, Roche, Abbott, Fresenius Medical Care, Baxter, Edwards Lifesciences, e Cochlear.

Evoluzione Storica della Tecnologia di Sostituzione Organica

La storia delle protesi affonda le radici nell'antichit con esempi come il "Cairo Toe", un dito in legno e cuoio risalente a un periodo compreso tra $2.700$ e $3.000$ anni fa, considerato il primo arto artificiale pratico per la sua flessibilit. Nel 300\,.C., in Italia, venne utilizzata la "gamba Capua", realizzata in bronzo e legno scavato con cinghie di cuoio. Altri esempi storici significativi includono la ricostruzione del naso tramite autoplastica/rinoplastica nel $1500$ circa (metodo indiano e italiano) e la protesi metallica al naso (argento o rame) usata dall'astronomo Tycho Brahe nel $1566$ dopo un duello nato da un disaccordo matematico.

L'evoluzione moderna ha visto tappe fondamentali: nel $1829$ i primi impianti metallici in cavie; nel $1881$ il progetto di un cuore artificiale da parte di Etienne-Jules Marey; nel $1952$ la prima valvola cardiaca "Cage Ball Valve" (valvola a sfera), efficace ma pesante e rumorosa; nel $1956$ la protesi d'anca; nel $1971$ le lenti a contatto morbide. Anticamente, le protesi erano focalizzate sulla funzione estetica e meccanica con materiali resistenti esterni al corpo, senza considerare i processi biologici interni, i quali hanno iniziato a essere studiati e integrati solo molto tempo dopo.

Biomateriali e Generazioni Tecnologiche

Un biomateriale definito storicamente (1974) come una sostanza inerte a livello sistemico e farmacologico formulata per essere impiantata in un sistema vivente. Una definizione pi moderna (2004) lo descrive come qualsiasi sostanza progettata per interagire con sistemi biologici a scopi medici, terapeutici o diagnostici. L'evoluzione dei biomateriali classificata in quattro generazioni:

Prima Generazione (Bioinerti): Materiali che non provocano reazioni significative dai tessuti (mancanza di rifiuto o riconoscimento). Esempi: titanio puro, zirconia, allumina, polietilene ad alta densit (PE-HD). Applicazioni: impianti ortopedici, valvole cardiache.
Seconda Generazione (Bioattivi): Progettati per interagire con i tessuti promuovendo risposte specifiche, come la crescita ossea. Esempi: vetro bioattivo, idrossiapatite, lenti a contatto antibatteriche, drug-eluting stents.
Terza Generazione (Bioattivi e Biomimetici): Materiali capaci di degradarsi chimicamente e riassorbirsi o di integrare segnali per stimolare processi cellulari come il differenziamento.
Quarta Generazione (Bioelettronici): Dispositivi che uniscono propriet elettriche e biologiche (es. PEDOT:PSS, nanostrutture in carbonio) per interagire con il sistema nervoso o rilevare biomolecole tramite impulsi elettrici.

La biocompatibilit (normata dalla ISO 10993) la capacit di un dispositivo di non indurre effetti tossici (citotossicit), modifiche geniche (tossicit genica) o danni ai sistemi circolatori (emocompatibilit). Fondamentale l'interfaccia "smart", capace di rispondere a stimoli esterni e regolare le funzioni biologiche tramite l'adsorbimento proteico, influenzato da idrofobicit, carica elettrostatica e rugosit superficiale.

Scienza dei Polimeri: Sintesi e Struttura

I polimeri sono macromolecole formate da unit monomeriche ripetute e connesse da legami covalenti. Lo stato fisico del materiale dipende dal numero di atomi di carbonio nella catena: da $1-4$ carboni sono gas semplici, da $5-11$ liquidi (benzina), oltre i $1000$ sono solidi tenaci come quelli usati per contenitori o giubbotti antiproiettile. I metodi di polimerizzazione principali sono:

Poliaddizione (reazione a catena): Rapida, senza sottoprodotti, economica. Svantaggio: basso controllo della reazione. Esempi: PE, PS, PVC.
Policondensazione (reazione a stadi): Simile a reazioni classiche, con formazione di sottoprodotti (solitamente piccole molecole come acqua). Richiede tempi e costi pi elevati. Esempi: Nylon, PET.

L'architettura delle catene pu essere lineare, ramificata o reticolata (cross-linking). La reticolazione tramite legami chimici o interazioni elettrostatiche stabilizza la struttura. Il peso molecolare ( $M_w$ ) influenza drasticamente le propriet: all'aumentare di $M_w$ , aumentano le propriet fisiche e la resistenza a trazione, ma diminuisce la lavorabilit. Nelle applicazioni biomediche si usano spesso range tra $50.000$ e $300.000\,Da$ , sebbene per gel intrarticolari si superino i $1.000-6.000\,kDa$ .

Propriet Termiche e Meccaniche dei Polimeri

I polimeri si dividono in:

Termoplastici: Ammorbidiscono e fondono con il calore, sono facilmente lavorabili e riciclabili (es. PMMA, PVC, PEEK).
Termoindurenti: Struttura reticolata, non fondono ma si decompongono termicamente. Usati in odontoiatria.
Elastomeri: Materiali elastici che tornano alla forma originale dopo la deformazione.

Le transizioni di stato includono la Temperatura di Transizione Vetrosa ( $T_g$ ), dove inizia un moto molecolare coordinato (coinvolgendo $10-50$ atomi della catena), e la Temperatura di Fusione ( $T_m$ ) per i semicristallini. I polimeri possono essere amorfi (disordinati) o semicristallini (con regioni ordinate). La degradazione avviene per erosione di superficie (il campione si erode esternamente mantenendo il bulk) o erosione di massa (l'acqua penetra velocemente degradando omogeneamente tutto il campione, come in PLA o PGA).

Biomateriali Metallici

I metalli sono caratterizzati dal legame metallico, un reticolo di ioni positivi immersi in una "nube" di elettroni delocalizzati. Questa struttura permette la duttilit (scorrimento dei piani atomici), conducibilit elettrica e termica. I materiali metallici pi comuni in medicina sono:

Acciai Inossidabili: Richiedono pi dell' $11\%$ di Cromo per formare uno strato passivo di ossido di cromo ( $Cr_2O_3$ ) che impedisce la corrosione. L'acciaio austenitico $316L$ lo standard.
Leghe di Cobalto (Co-Cr-Mo): Eccellente resistenza alla corrosione e fatica, alta durezza, usate per steli di protesi d'anca. Il Nichel pu causare allergie.
Titanio e sue leghe: Leggero (densit $4.5\,g/cm^3$ contro gli $8\,g/cm^3$ dell'acciaio), altamente biocompatibile e resistente alla corrosione. Esistono due forme allotropiche: $\alpha$ -Ti (esagonale compatto, stabile sotto $882\,^{\circ}\text{C}$ ) e $\beta$ -Ti (cubico a corpo centrato, stabile sopra $882\,^{\circ}\text{C}$ ). La lega pi nota Ti6Al4V, dove l'alluminio stabilizza la fase $\alpha$ e il vanadio la fase $\beta$ .

Polimeri Naturali e Matrice Extracellulare (MEC)

I polimeri naturali si dividono in poliesteri, proteine e polisaccaridi. Offrono vantaggi come biocompatibilit, biodegradabilit e presenza di segnali bioattivi, ma soffrono di variabilit tra lotti e scarse propriet meccaniche. La Matrice Extracellulare (MEC) l'ispirazione per questi materiali, composta da una componente fibrosa (collagene, elastina) e una componente amorfa (glicosamminoglicani o GAG, e proteoglicani).

Collagene: Proteina pi abbondante nei vertebrati ( $25\%$ ). Struttura a tripla elica con sequenze ripetute di Gly-X-Y (spesso Glicina-Prolina-Idrossiprolina). Il tipo I ( $300-400\,kDa$ ) in tendini e ossa; il tipo II nella cartilagine. A $65\,^{\circ}\text{C}$ gelatinizza, perdendo propriet meccaniche.
Elastina: Conferisce elasticit ai tessuti (vasi sanguigni, pelle). Ha un modulo elastico molto basso ( $0,3-1,2\,MPa$ ) e un allungamento a rottura del $200-300\%$ .
Polisaccaridi: Include Acido Ialuronico (HA), Chitosano, Cellulosa e Alginato. L'HA un gel viscoelastico presente in articolazioni e occhi, spesso modificato tramite cross-linking per aumentarne la stabilit. Il Chitosano ottenuto per deacetilazione della chitina (dai gusci di crostacei) ed antibatterico ed emostatico. L'Alginato (dalle alghe) gelifica in presenza di cationi divalenti come il Calcio ( $Ca^{2+}$ ) secondo il modello "egg-box".

Riepilogo delle propriet dei principali polimeri naturali

Acido Ialuronico: $M_w = 50-8.000\,kDa$ ; Carico a rottura $~0,1-0,5\,MPa$ ; $T_g = -30\,^{\circ}\text{C}$ .
Chitosano: $M_w = 50-1.000\,kDa$ ; Carico a rottura $~20-50\,MPa$ ; $T_g = 200-250\,^{\circ}\text{C}$ .
Cellulosa: $M_w = 160-1.500\,kDa$ ; Carico a rottura $~100-200\,MPa$ ; $T_g = 200-250\,^{\circ}\text{C}$ .
Alginato: $M_w = 10-1.000\,kDa$ ; Carico a rottura $~5-15\,MPa$ ; $T_g = 100-120\,^{\circ}\text{C}$ .