Biocompatibilità

La biocompatibilità è un parametro che indica la dannosità di una sostanza per un organismo. Essa risulta perciò essere di notevole importanza in ambito farmacologico e in ambito biomedico nella produzione di materiali che vengono ad esempio usati per la costruzione di protesi, quali ad esempio il titanio e l'idrossiapatite. Questi materiali devono perciò presentare una totale biocompatibilità nei riguardi dell'organismo umano in cui vengono impiantati, in quanto non solo non devono essere dannosi, ma devono anche non essere attaccati dalle proteine dell'organismo.

Pertanto, lo studio delle caratteristiche di una matrice biologica risulta essere di notevole utilità e importanza. A questo scopo, si effettuano studi su colture di cellule che vengono utilizzate estensivamente per valutare la biocompatibilità di biomateriali potenzialmente impiantabili.

Biomateriale

Un biomateriale è un materiale che si interfaccia con i sistemi biologici per valutare, trattare, aumentare o sostituire un qualunque tessuto, organo o funzione dell’organismo (Consensus Conference, Chester, UK, 1991). Un qualunque biomateriale provoca una risposta biologica dell’organismo in cui si trova ad operare, che a sua volta causa un processo di degradazione nel biomateriale stesso. Si parla quindi di doppia interazione tra i due sistemi. Non bisogna commettere l’errore di considerare un biomateriale inerte nei confronti dell’organismo in cui viene impiantato. L’organismo umano ha la possibilità di attivare numerosi e complessi meccanismi biologici che hanno funzioni di difesa nei confronti di eventi ritenuti dannosi. In generale tali meccanismi consistono di complicate sequenze di processi, ciascuno dei quali risulta regolato da precisi equilibri di tipo attivazione/inibizione. Talvolta tali processi possono venire alterati farmacologicamente per ottenere un aumento o una diminuzione dell’efficacia delle difese naturali. I meccanismi di difesa naturali, sebbene siano ovviamente indispensabili per la sopravvivenza dell’organismo, costituiscono il principale ostacolo all’applicazione di dispositivi medici. Al pari di un qualunque evento traumatico, anche l’inserimento di un dispositivo medico, dal semplice ago per iniezione al più complesso organo artificiale, viene “vissuto” dall’organismo biologico come un evento da cui difendersi. Questo atteggiamento di “rifiuto” deriva sostanzialmente dal fatto che l’accettazione di un dispositivo da parte dell’organismo avviene sulla base di meccanismi di riconoscimento molecolare dei materiali di cui il dispositivo è costituito e non sulla valutazione delle funzioni che tali materiali (e il dispositivo) possono svolgere.

Un concetto fondamentale per quanto riguarda i biomateriali è quello di biocompatibilità, che indica l’attitudine di un materiale ad essere ben tollerato dall’organismo ospite in cui deve operare, determinando una risposta opportuna in relazione all’applicazione da parte di quest’ultimo. La biocompatibilità di un biomateriale deve conservarsi per l’intera durata dell’applicazione a cui è destinato. Ad esempio una membrana per emodialisi è utilizzabile soddisfacentemente perché rimane a contatto con il sangue del paziente solo per poche ore; un contatto più lungo nel tempo comporterebbe danni per la persona. Una protesi invece deve garantire il funzionamento e la biocompatibilità per tutta la durata della vita del paziente.

Generalmente si distinguono due campi di utilizzo per i biomateriali:

- extracorporeo: apparecchiature, strumentazioni di analisi, strumentario chirurgico;

- corporeo: mezzi di osteosintesi, protesi ortopediche, protesi dentali.

La biocompatibilità dei materiali impiegati deve essere rispettata per entrambi i campi di utilizzo ma naturalmente i materiali da impiegare all’interno dell’organismo devono sottostare a specifiche più severe.

I biomateriali si possono classificare in base alla loro natura chimica.

Principali vantaggi, svantaggi e applicazioni di ciascuna tipologia di biomateriali

I metalli più utilizzati come biomateriali sono gli acciai inossidabili, le leghe di cromo-cobalto e le leghe di titanio. Essi trovano largo impiego soprattutto come materiali per la costruzione di dispositivi biomedici. Le applicazioni sono le più svariate e vanno dalla realizzazione di componenti di apparecchiature fino a parti di protesi o protesi intere. Alcune comuni applicazioni dei biomateriali metallici riguardano la fabbricazione di strumenti chirurgici, di protesi ortopediche e dentali e di mezzi di osteosintesi. I materiali metallici infatti, presentando delle proprietà meccaniche che rendono possibile la realizzazione di protesi in grado di sopportare carichi elevati con piccole sezioni, si prestano bene a risolvere i problemi legati alla sostituzione di tessuti duri quali ossa e denti. In figura 4.3 vengono illustrati degli esempi di protesi costruite parzialmente o interamente in materiale metallico biocompatibile.

Biocompatibilità di impianti dentali

Negli ultimi anni, per valutare le caratteristiche del sito biologico in cui impiantare una protesi dentale, è stata proposta una nuova tecnica spettrofluorimetrica basata sull'utilizzo di due traccianti fluorescenti che marcano degli immunoconiugati. Su colture di osteoblasti, ossia cellule prelevate dalla mandibola, l'indagine è volta a determinare le quantità di osteocalcina e collagene tipo I secrete dalle suddette cellule nella matrice extracellulare. Questi parametri sono utili nel determinare la bontà della biocompatibilità di un biomateriale. Inoltre, queste specie sono direttamente coinvolte nel processo di mineralizzazione delle ossa, un fattore di cruciale importanza in un impianto dentale a lungo termine.

Dopo isolamento e caratterizzazione, le cellule vengono poste sulla superficie di dischi del materiale da testare, quali il titanio o titanio ricoperto da un sottile strato di idrossiapatite; a ciò segue l'applicazione di un primo anticorpo e successivamente di un anticorpo marcato: a questo punto, dopo l'eccitazione ottica dei due coloranti, viene effettuata l'analisi misurando con uno spettrofluorimetro il segnale di fluorescenza emesso dalle molecole nella matrice extracellulare sulla superficie dei dischi. La misura perciò presenta il vantaggio di essere indipendente dalle caratteristiche della superficie del materiale in esame, e quindi questa tecnica permette un'accurata e precisa valutazione della risposta dei campioni biologici interessati verso il biomateriale da impiantare.
Come marker per ottenere l'immunoconiugato, si utilizzano due coloranti fluorescenti, la fluoresceina isotiocianato (FITC) e la tetrametilrodamina isotiocianato (TRITC), le cui strutture sono sotto riportate:

La procedura dell'analisi è divisa in tre step:

Step I - Riconoscimento molecolare: il primo anticorpo (1) riconosce le cellule poste a ricoprire il biomateriale in esame (4) e si lega allo strato collagenico che si trova nella matrice extracellulare (3).

Step II - Marcatura coi fluorofori: il secondo anticorpo (2), che porta con sè i due marker (5), riconosce il primo anticorpo e vi si lega.

Step III - Fluorescenza: I coloranti vengono eccitati attraverso una sorgente laser (6) ed emettono la propria caratteristica fluorescenza (7), la quale viene registrata da uno spettrofluorimetro e visualizzata come spettro di emissione.

La spettrofluorimetria, grazie alla sua riproducibilità, attendibilità e specificità, ha permesso di facilitare gli studi sulla biocompatibilità, in quanto ha permesso di superare alcuni problemi tecnici relativi alla quantificazione di parametri biologici coinvolti in relazioni cellula-biomateriale, come fosfatasi alcalina, collagene, osteocalcina, proteoglicani. Inoltre questa tecnica presenta tra i suoi vantaggi quello di permettere anche, rispetto ad altre metodologie, un certo risparmio di tempo e di costi.