Progettazione, preparazione e caratterizzazione strutturale e biologica di supporti polimerici tridimensionali per applicazioni di ingegneria tissutale

INTRODUZIONE 
 
1. INTRODUZIONE 
 
1.1 I BIOMATERIALI 
     I biomateriali, tradizionalmente definiti come materiali utilizzati in dispositivi medici, sono 
stati usati dall’uomo fin dall’antichità, ma recentemente il loro grado di sofisticatezza è 
aumentato significativamente. I biomateriali prodotti oggigiorno incorporano spesso elementi 
biologicamente attivi di derivazione naturale ed hanno un ruolo importante nella medicina ma 
anche in altre applicazioni non biomediche. 
 
 
1.1.1 Definizione e classificazione 
     Durante gli anni ’60 e ’70 è stata sviluppata una prima generazione di materiali da 
utilizzare in dispositivi medici all’interno del corpo umano; questi sviluppi hanno posto le 
basi nel campo dei biomateriali 
[1]
. L’obiettivo dei biomateriali era di fornire buone 
prestazioni meccaniche, compatibili con i tessuti circostanti nel sito d’impianto, e di essere 
“bioinerti”, cioè non interagire con l’organismo ospite per prevenire il rigetto biologico. 
Tuttavia col progredire delle conoscenze in biologia e nelle scienze dei materiali, l’approccio 
alla progettazione ed utilizzo dei biomateriali è cambiato 
[2]
: dagli anni ’80 è stata sviluppata 
una seconda generazione di biomateriali, denominati bioattivi, ovvero capaci di esercitare 
un’azione controllata nei confronti dell’ambiente fisiologico, e bioriassorbibili, cioè in grado 
di degradarsi in maniera controllata e venire sostituti dai tessuti dell’organismo 
[3]
.  Nel 1991, 
in occasione della II International Consensus Conference on Biomaterials tenutasi a Chester 
(U.K.), è stata proposta una definizione di biomateriale, sulla quale attualmente esiste il più 
ampio consenso, che lo descrive come “un materiale concepito per interfacciarsi con i sistemi 
biologici per valutare, trattare, aumentare, dare supporto o sostituire un qualsiasi tessuto, 
organo o funzione del corpo”. Questa definizione di tipo funzionale si presta a diverse 
interpretazioni: quella più restrittiva limita il concetto di biomateriale ai soli materiali 
strutturali, mentre una più ampia e generalmente accettata include i materiali, soprattutto 
polimerici, usati come componenti di sistemi per il rilascio controllato di farmaci o come 
supporto di molecole bioattive. Dal 2000 è in corso lo sviluppo di una terza generazione di 
biomateriali progettati per stimolare specifiche risposte cellulari a livello molecolare 
[4]
.
Alessandro Pirosa - Tesi di Laurea 
2 
 
Attualmente i biomateriali sono spesso progettati per mimare, almeno in parte, le proprietà 
chimico-fisiche dei tessuti biologici. Sempre più la natura, infatti, ispira non solo i materiali 
da produrre ma anche il modo in cui fabbricarli: mentre i materiali sintetici sono tipicamente 
prodotti su scala millimetrica o maggiore e poi fresati per avere caratteristiche su scala micro- 
o nano-metrica, i materiali naturali spesso presentano già una organizzazione micro-
nanostrutturata che facilita l’ottenimento di sistemi complessi 
[5]
. Il principale fattore limitante 
lo sviluppo di nuovi biomateriali è la biocompatibilità, cioè la capacità di un materiale di non 
provocare, da parte del sistema vivente nel quale è impiegato, reazioni sfavorevoli che ne 
possano pregiudicare l’utilizzo (vedi §1.1.2). 
I materiali attualmente utilizzati per applicazioni biomediche possono essere classificati, da 
un punto di vista chimico, come segue 
[6]
: 
 
 
 
 
 
Figura 1.1 - Classificazione dei biomateriali da un punto di vista chimico. 
 
 
 
 Metalli (acciai inossidabili, titanio e leghe, leghe di cobalto, leghe Ti-Ni a memoria di 
forma): circa il 30%. Sono utilizzati in applicazioni ortopediche (protesi di arti, chiodi e 
viti), per valvole cardiache e contenitori di pacemaker, in odontoiatria (protesi dentarie e 
amalgami). Hanno buone proprietà meccaniche e di resistenza all’usura ma sono 
suscettibili alla degradazione per corrosione, un processo che causa il rilascio di ioni, 
composti chimici o particolati che potrebbero essere dannosi per l’organismo.
INTRODUZIONE 
 Ceramici (ossidi di alluminio, alluminati di calcio, ossidi di titanio, carboni, vetri 
bioattivi): circa il 5%. Le ceramiche sono materiali composti da elementi metallici e non 
metallici legati da legami ionici e/o covalenti; vengono utilizzate in applicazioni di 
chirurgia maxillo-facciale, ortopedia e impianti dentari. Hanno buona biocompatibilità e 
inerzia chimica ma, sebbene siano abbastanza resistenti alla corrosione, sono suscettibili 
ad altri tipi di degradazione causata dall’ambiente fisiologico, sono molto fragili e difficili 
da lavorare, hanno scarse proprietà meccaniche, soprattutto in compressione e flessione. 
 Polimerici sintetici (Tabella 1.1): circa il 45%. Sono materiali organici composti da grandi 
macromolecole costituite da molte unità ripetenti, dette monomeri, legate covalentemente 
tra loro. Sono i materiali più utilizzati in applicazioni biomediche, infatti, trovano largo 
impiego in ortopedia, impianti emocompatibili, oftalmologia, ricostruzione di tessuti 
molli, suture e adesivi. Le loro proprietà dipendono dalla composizione, struttura e 
arrangiamento delle molecole che li costituiscono. In generale mostrano una buona 
biocompatibilità, sono facili da lavorare, possono essere modificati chimicamente e/o 
fisicamente per immobilizzare cellule o molecole bioattive al loro interno o sulla 
superficie. Tuttavia possono rilasciare sostanze dannose per l’organismo (monomeri, 
catalizzatori, additivi, ecc), assorbire acqua o biomolecole dai tessuti circostanti e a volte 
sono difficili da sterilizzare senza alterarne le proprietà strutturali. 
 Materiali di derivazione biologica (Tabella 1.2): circa il 5%. La loro sintesi avviene per 
opera di catalizzatori enzimatici attraverso reazioni di polimerizzazione a crescita di 
catena di monomeri attivati che si formano all’interno delle cellule a seguito di processi 
metabolici complessi. Sono utilizzati in combinazione con materiali sintetici, specialmente 
in dermatologia come materiali eparinizzanti, rivestimenti e/o per funzionalizzare 
superfici, sono anche alla base di prodotti per la sutura di ferite e per il trapianto di pelle e 
arterie. Sono caratterizzati da buona bioattività e rinnovabilità, bassa tossicità, sebbene in 
certi casi possano provocare risposte immunitarie e presentano, spesso, difficoltà di 
trattamento e conservazione. 
 Compositi (metalli rivestiti con ceramici, matrici rinforzate con fibre): circa il 15%. I 
materiali compositi sono costituiti da più materiali semplici differenti. Essi sono utilizzati 
in ortopedia e impianti dentari. Hanno buona biocompatibilità e inerzia chimica ma 
possono presentare una scarsa coesione tra i componenti e difficoltà di lavorazione.
Alessandro Pirosa - Tesi di Laurea 
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Tabella 1.1 - Polimeri sintetici utilizzati in applicazioni biomediche e farmaceutiche. 
 
Polimeri sintetici Principali applicazioni 
Poliesteri alifatici 
Poli(acido lattico), poli(acido glicolico), e loro 
componenti 
Usati in suture, rilascio di farmaci e ingegneria 
tissutale. Biodegradabili, spesso copolimerizzati per 
regolare il tempo di degradazione. 
Poli(idrossibuttirati), poli(ε-caprolattone) e loro 
componenti 
Biodegradabili, usati come matrici per il rilascio di 
farmaci. Le loro proprietà possono essere variate con 
modifiche chimiche, copolimerizzazione e miscele. 
Poliammidi (nylon) Suture, membrane per emofiltrazione. 
Polianidridi 
Biodegradabili, usate in ingegneria tissutale e per il 
rilascio di molecole bioattive. 
Poli(orto esteri) 
Polimeri a superficie erodibile, rilascio di farmaci, 
oftalmologia. 
Poli(ciano)acrilati 
Biodegradabili, secondo la lunghezza della catena 
alchilica. 
Polifosfazeni 
Possono essere modellati con funzionalità versatile dei 
gruppi laterali. Utilizzati in film e idrogeli. 
Applicazioni in rilascio di farmaci. 
Poliuretani termoplastici 
Buone proprietà meccaniche. Modellati da vari 
materiali di partenza. Usati in dispositivi medici 
impiantati in modo permanente (protesi, innesti 
vascolari), cateteri e rilascio di farmaci. Candidati 
principali per il cuore artificiale. 
Polietilene Materiale ortopedico. 
Poli(idrossietil metacrilato) 
Idrogeli usati come lenti a contatto morbide, rilascio di 
farmaci. 
Poli(tetrafluoroetilene) (Teflon®) 
Copolimeri usati per impianti dentali e sostituzioni 
ossee. 
Polidimetilsiloxilani Innesti vascolari, suture, rivestimenti. 
Polivinilcloruro 
Tubi, cateteri, ricostruzione di tessuti molli, valvole 
cardiache. 
Polistirene Substrati per colture cellulari. 
Poli(etilen ossido) Copolimeri utilizzati in applicazioni biomediche. 
Poliacrilati Protesi dentali e maxillofacciali, cementi per ossa.
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Tabella 1.2 - Polimeri naturali utilizzati in applicazioni biomediche e farmaceutiche. 
 
Polimeri naturali Principali applicazioni 
Proteine e polimeri basati su proteine  
Collagene  
Albumina  
Assorbibili, biocompatibili, non tossici, disponibili in 
natura, materiali elastici usati come impianti e in 
Ingegneria tissutale. Suture assorbibili, microsfere per 
rilascio di farmaci. Usate in microincapsulazione di 
farmaci.  
Poliamminoacidi  
Non tossici, non antigenici e biocompatibili. Usato come 
trasportatori di farmaci oligomerici.  
Polisaccaridi e derivati di origine vegetale   
Carbossimetilcellulosa  
Immobilizzazione cellulare per combinazione di 
congelamento ionotropico e formazione di complessi 
polielettrolitici, rilascio di farmaci membrane da 
membrane.  
Cellulosa solfato  
Componenti di complessi polielettrolitici per 
immunoisolamento.  
Agarosio  
Usato come materiale di supporto in analisi clinica e 
come immobilizzante della matrice.  
Alginati  
Eccellenti nella formazione di gel, biocompatibili. Usati 
nell’immobilizzazione della matrice per cellule ed 
enzimi, rilascio controllato di sostanze bioattive, 
microcapsule iniettabili per trattamento di malattie 
neurodegenerative e deficienze ormonali.  
Polisaccaridi di origine umana/animale  
 
Acido ialuronico  
Eparina e glicosaminoglicani  
Eparino-simili  
Eccellente lubrificante, potenziale agente terapeutico. 
Proprietà trombolitiche e anticoagulanti. Usato in 
chirurgia, usati per congelamento ionotropico e 
formazione di capsule.  
 
 
Chitina e suoi derivati 
 
 
Polisaccaridi microbici  
 
 
Biocompatibile, non tossica, capace di formare gel e 
film, policatione naturale. Usati in sistemi a rilascio 
controllato. 
Destrano e suoi derivati 
 
 
Eccellenti proprietà reologiche, espandenti plasmatici, 
largamente usati come trasportatori di farmaci.