Protesi ossee del futuro con la whitlockite, il minerale dei meteoriti
Uno studio dell’Istituto di cristallografia del Cnr in collaborazione con le università Sapienza e Roma Tre e con l’ISIS Neutron and Muon Source (UK), ha permesso di ottenere la prima caratterizzazione completa della whitlockite, un minerale presente anche nei meteoriti. I risultati dello studio pubblicato sulla rivista Crystals contribuiranno a ottenere materiali più performanti per utilizzo biomedicale. Grazie alla conoscenza approfondita della struttura del materiale naturale, gli scienziati possono migliorare il loro analogo sintetici, per meglio adattare la funzione attesa nelle applicazioni biomediche.
Com’è stato condotto lo studio?
Lo studio è stata condotto su un campione di whitlockite dalla miniera di Palermo, North Groton, New Hampshire (USA), che è stato caratterizzato mediante i seguenti metodi di indagine con l’obiettivo di definire la sua identità cristallo-chimica:
- diffrattometria a raggi X: è un metodo di analisi media che consente di ottenere informazioni chimico-strutturali sul campione. Il principio fisico su cui si basa questa analisi è la legge di Bragg: si proietta sul campione un fascio di raggi X e se ne rileva l’”eco” diffratta; agendo sull’angolo di incidenza del fascio si ricava, dalla legge di Bragg, la distanza interplanare e, di conseguenza, i tipi di reticolo di Bravais presenti nel campione, e agendo sulla lunghezza d’onda si possono interessare diversi legami, giungendo così anche, se possibile, a conclusioni sulla composizione chimica del campione.
- diffrazione neutronica: è una tecnica, che usa lo scattering di neutroni per determinare la struttura atomica o magnetica di un materiale, simile alla diffrazione dei raggi X, ma che fornisce informazioni diverse e complementari dato che neutroni e raggi X hanno diverse proprietà di diffrazione. Il campione da esaminare viene posto in un raggio di neutroni di opportuna energia in modo da ottenere una figura di diffrazione che fornisce informazioni sulla struttura del materiale.
- analisi con microsonda elettronica: la microsonda elettronica è uno strumento mediante il quale è possibile effettuare analisi chimiche qualitative (individuazione elementi presenti) e quantitative (dosaggio degli elementi presenti) su volumi estremamente ridotti (dell’ordine di pochi micron3 ) di campioni solidi opportunamente preparati. L’analisi in microsonda sfrutta i raggi X caratteristici (fotoni) che ogni elemento emette quando viene bombardato con elettroni di adeguata energia: Nell’analisi in microsonda l’energia ionizzante è costituita da un fascio di elettroni accelerato e collimato sul campione con energia tipica dell’ordine di 10 – 30 keV ed una intensità di corrente in analisi che varia tra 2 e 100 nA.
- spettroscopia infrarossa: è una tecnica utilizzata per identificare la chimica di un campione, per lo più per distinguere se e dove al suo interno è presente materia organica o inorganica, cristallina o amorfa. Come dice il nome, è basata sull’utilizzo della radiazione infrarossa, in particolare a lunghezza d’onda di 0,8- 200 micron. Quando una radiazione di questo tipo colpisce un campione, questo assorbirà selettivamente determinate componenti frequenziali, in corrispondenza delle frequenze di vibrazione caratteristiche dei legami al suo interno. La spettroscopia Infrarossa (IR) analizza la radiazione assorbita dal campione e fornisce indicazioni sui modi di vibrazione della molecola. Lo spettro vibrazionale riflette nel numero, nella forma e nella posizione delle bande, la chimica e la struttura dei gruppi molecolari che costituiscono la sostanza. Pertanto, la spettroscopia IR identifica le sostanze presenti nel campione riconoscendone la struttura molecolare.
Perchè lo studio della whitlockite è importante per la ricerca scientifica?
Lo studio dei fosfati di calcio rappresenta un argomento di particolare interesse per la comunità scientifica, in quanto questi minerali costituiscono le controparti naturali di diversi biomateriali largamente impiegati in applicazioni biomediche, specie in campo ortopedico e odontoiatrico. Le principali applicazioni, che li vedono come cementi, scaffold e rivestimenti di ossa e denti, si basano principalmente sulla somiglianza della densità di questi composti con quella dei tessuti duri umani. Benché il fosfato di calcio naturale più abbondante appartenga alla serie dell’apatite, esiste attualmente un interesse crescente per il minerale whitlockite un raro fosfato di calcio naturale presente in rocce granitiche terrestri e nei meteoriti condriti, che nel corpo umano si trova all’interno di lacune osteocitarie ipermineralizzate nell’osso alveolare umano, nella cartilagine artritica e nei depositi dei tessuti molli. L’interesse per la whitelockite è inoltre correlato alla classe dei fosfati tricalcici sintetici, biomateriali particolarmente ricercati per la loro biocompatibilità con il biosistema umano e per la possibilità di ottenere diversi prodotti, impiegati come cemento commerciale e pasta per la sostituzione ossea.
In particolare, il TCP è una alternativa alla idrossiapatite sintetica, che è molto simile alla componente minerale delle ossa e dei denti umani, ma che risulta essere fragile da utilizzare in alcuni contesti, come negli impianti metallici di protesi ossee