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Riparare le ossa in modo rapido ed efficiente? Si può, con le bioceramiche!

La riparazione di fratture e difetti nelle ossa del corpo umano è una problematica di grande interesse nel mondo della medicina e delle biotecnologie, viste l’importanza e la frequenza con cui avvengono infortuni così gravi. In questo articolo vedremo una delle tecniche più utilizzate al giorno d’oggi per curare le ossa danneggiate.

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Nella biomedicina moderna, le protesi svolgono un ruolo importantissimo, poiché permettono di sostituire parti del sistema scheletrico umano, parzialmente o integralmente danneggiate, che sia solo per periodi temporanei o per l’intera vita dell’individuo. Al giorno d’oggi esistono moltissime protesi di tipo diverso, in base alla loro origine, alla loro funzione/ubicazione nel corpo e alle loro proprietà, e tra le più utilizzate nei trattamenti ci sono sicuramente le cosiddette protesi bioceramiche.

Proprietà generali delle bioceramiche

Il nome “bioceramica” è dovuto da un lato alla natura di biomateriali -ovvero sostanze che vengono utilizzate per controllare e dirigere procedure terapeutiche/diagnostiche nel corpo umano-, e dall’altro alle proprietà che caratterizzano tali materiali, tipiche dei materiali ceramici in generale: modulo elastico molto alto, inerzia chimica, fragilità e durezza elevate, densità bassa, temperatura di fusione alta ecc.

Riparare le ossa in modo rapido ed efficiente? Si può, con le bioceramiche!
Credits: fisioterapiabalduina

Affinché possano svolgere pienamente le proprie funzioni senza essere rigettate dall’organismo ospite, tali protesi devono possedere alcune proprietà imprescindibili, quali la bioattività, ovvero la capacità di legarsi ai tessuti vicini senza provocare risposte infiammatorie o immunitarie nel sistema, e, se richiesto dall’applicazione, il bioriassorbimento, cioè la capacità di degradarsi in modo controllato nel tempo e senza rilasciare prodotti tossici o dannosi per il corpo.

Dal punto di vista chimico, le bioceramiche utilizzate in questo campo sono solitamente i fosfati di calcio (CaP), i quali, se opportunamente trattati attraverso precise reazioni chimiche, danno un biominerale molto simile a quello presente nelle ossa del corpo umano: l’idrossiapatite (HA).

Un esempio di bioceramiche: i cementi di fosfato di calcio

Nel corso degli anni sono state sviluppate diverse tecniche per ottenere tali protesi, in base alla composizione della bioceramica di partenza, il pH e la temperatura del processo complessivo. Poco più di una trentina d’anni fa, tuttavia, è emersa una nuova categoria di CaP sintetici, che in breve tempo si è imposta come la più promettente e studiata: i cementi di fosfato di calcio (CPC).

Il nome particolare di queste bioceramiche è dovuto al processo con cui si ottengono: esattamente come i cementi “tradizionali” usati nei cantieri, infatti, anche i CPC si ottengono mescolando una fase solida (di solito in polvere, e formata da uno o più CaP) con una fase liquida (acqua o, più in generale, soluzioni acquose). Il risultato di questo primo stadio, noto col nome di presa, è una pasta omogenea e malleabile che, dopo poco tempo, si raddensa nella fase di indurimento, perdendo la malleabilità ma migliorando le proprietà meccaniche.

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Credits: Ginebra, Maria-Pau, et al. “Bioceramics and bone healing.” EFORT open reviews 3.5 (2018): 173-183.

Dal punto di vista microstrutturale, questi cambiamenti si spiegano osservando che dapprima, a seguito dell’idratazione delle particelle della polvere, si cominciano a formare cristalliti dispersi in acqua, e a mano a mano che passa il tempo questi cristalliti crescono assorbendo l’acqua, finché le lamelle cristalline non s’incrociano tra di loro, provocando l’indurimento del materiale.

Pregi e difetti dei cementi di fosfato di calcio

I vantaggi dei CPC rispetto ad altre bioceramiche simili ma più tradizionali sono molteplici: innanzitutto possono essere fabbricati “in situ”, cioè subito prima di iniettarli nell’organismo ospite, e sono capaci di adattarsi perfettamente alle cavità ossee. Inoltre, hanno il giusto tasso di riassorbimento rispetto ad altre bioceramiche, possono incorporare farmaci (quindi sono molto utili per trattamenti localizzati), e nel complesso il processo è condotto a temperature basse.

In quanto alle limitazioni, invece, il problema grosso dei CPC è la loro porosità: queste bioceramiche sono sì intrinsecamente porose, ma i pori sono troppo piccoli, con grandezze nell’ordine dei micrometri. Ciò è un problema perché limita moltissimo la crescita dei tessuti cellulari nel cemento e il riassorbimento della protesi stessa.

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Credits: Dorozhkin, Sergey V. “Calcium orthophosphates as bioceramics: state of the art.” Journal of functional biomaterials 1.1 (2010): 22-107.

Per questo motivo, nel corso degli anni sono state sviluppate alcune tecniche volte ad aumentare la dimensione media dei pori. Le più importanti sono:

  • la lisciviazione, ovvero l’introduzione di particelle/fibre successivamente rimosse utilizzando, di solito, opportuni solventi. Nella pratica esistono tanti esempi di “agenti di sacrificio”: cristalli di manitolo, microsfere di gelatina o alginato sodico ecc. I vantaggi evidenti di questa tecnica sono la versatilità e la facilità di lavorazione;
  • la schiumatura, dove si ottengono bolle d’aria tramite l’utilizzo di agenti schiumanti biocompatibili, ma che dà protesi con scarse proprietà meccaniche;
  • l’utilizzo di emulsioni acqua-olio;
  • la stampa 3D (con l’utilizzo di inchiostri appositi), che è sicuramente la tecnica più costosa e difficile, ma che permette il più alto grado di controllo e riproducibilità di tutte.

Applicazioni presenti e future dei CPC

Al giorno d’oggi, i CPC sono già una realtà nel mondo biomedico, e in effetti si possono trovare svariate applicazioni possibili legate alla rigenerazione ossea: ricostruzioni maxillofacciali/craniofacciali; trattamento di difetti dovuti a fratture o traumi; trattamento di fratture spinali (vertebroplastica). Le limitazioni più importanti riguardano il controllo del tempo di riassorbimento, che non deve essere né troppo corto né troppo lungo, e l’ottenimento di una porosità ideale.

Per quanto riguarda l’altra applicazione importante, cioè il drug delivery, anche qui i CPC si sono rivelati molto promettenti, grazie alla loro abilità di adsorbire specie chimiche differenti sulla propria superficie. I CPC possono essere utilizzati per trattare ad esempio tumori ossei, osteoporosi e osteomielite, e possono convogliare tanti tipi di farmaci, tra cui antibiotici, antinfiammatori, antitumorali e persino ormoni. Nonostante tutti questi pregi, i CPC fanno ancora fatica ad imporsi omogeneamente nel mondo reale per la somministrazione dei farmaci, ma, viste le loro potenzialità, sicuramente negli anni a venire assisteremo ad un loro ulteriore sviluppo.

Articolo a cura di Pietro Baldin.

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