Questo lavoro di ricerca mira ad ottenere nuovi compositi con particolari caratteristiche tecnologiche e in grado di mimare il comportamento dei tessuti naturali. Inizialmente il presente lavoro è stato articolato nel seguente modo:
¾ Sintesi della polvere di idrossiapatite con differenti sistemi di reazione iniziale variando la natura e la quantità dei reagenti, con lo scopo di ottenere un materiale biocompatibile e biodegradabile, ma allo stesso tempo anche resistente, mostrando una cera affinità per il tessuto osseo. I metodi di sintesi sono la reazione idrotermale (effettuata in condizioni statiche e/o dinamiche) e la reazione di precipitazione.
¾ Caratterizzazione qualitativa e quantitativa del prodotto ottenuto al fine di migliorare le condizioni sperimentali, quali temperatura e tempi di reazione, per ottenere un composto che soddisfi le esigenze del campo in cui questo verrà utilizzato. La caratterizzazione verrà effettuata con gli strumenti presenti in laboratorio.
¾ Preparazione di provini (scaffold), con il materiale di sintesi ottenuto, con l’aggiunta di additivi (agenti porizzanti), affinché garantiscano un certo grado di porosità (micropori e macropori), indispensabile ai fini della biocompatibilità e degradabilità del prodotto, nonché per la crescita del tessuto osseo. Infatti questo si accresce all’interno dello scaffold, facendosi strada tra i pori che rappresentano vie di colonizzazione dello stesso.
¾ Sono stati realizzati provini con l’idrossiapatite sinterizzata in laboratorio e fibre di Nanotubi in Carbonio, al fine di migliorarne le caratteristiche meccaniche, quale è la resistenza. L’idea di utilizzare le fibre di nanotubi in carbonio, è stata presa in considerazione poiché hanno una certa “inerzia chimica” non interferendo con i normali processi fisiologici e biochimici dell’organismo, Il segreto dei nanotubi e' nelle loro dimensioni: la loro struttura presenta irregolarita' cosi' piccole (nell'ordine del nanometro, ossia del miliardesimo di metro) da non essere identificate dal sistema
confermato che le cellule che formano le ossa (osteoblasti) aderiscono molto meglio ai nanotubi che ai materiali tradizionalmente utilizzati ( come ad esempio il titanio) per costruire articolazioni artificiali. Anche con altri materiali e' possibile ottenere un'adesione migliore ma ''i nanotubi sono particolarmente promettenti per le applicazioni in campo biomedico'' perche' sono piu' facilmente adattabili a specifiche parti del corpo. Le strutture di titanio, (e degli altri materiali utilizzati in passato) la cui superficie presenta irregolarita' piu' grandi (nell'ordine del milionesimo di metro) possono scatenare reazioni immunitarie che richiedono nuovi e dolorosi interventi chirurgici per sostituire la protesi.
I nanotubi di carbonio saranno sintetizzati col metodo CCVD (Catalytic Carbon Vapor depositino) utilizzando catalizzatori di metalli di transizione depositati su supporti di allumina e/o magnesia ( il tutto realizzato nel Laboratori di NMR di Namur del Prof J.B Nagy.- Belgio). L’idrocarburo sarà l’etilene che può essere utilizzato nelle condizioni industriali. Il reattore, a letto fisso, opererà alla temperatura di 700°C. I parametri del flusso di gas (l’azoto e l’etilene) saranno ottimizzati insieme alla percentuale d’etilene nella miscela dei gas. I nanotubi così ottenuti saranno aggiunti all’idrosiapatite, sintetizzata attraverso il metodo di precipitazione nel nostro laboratorio, per produrre nanocompositi che verranno sottoposti a differenti prove fisico-meccaniche per testarne il grado di resistenza. Il tutto finalizzato a creare , grazie all’aiuto della Fin-ceramica Faenza, leader nella produzione di protesi ossee, caratterizzate da una notevole resistenza meccanica.
¾ Stabilite le condizioni per ottenere un prodotto in grado di mimare il tessuto osseo, sono stati prodotti dei provini con idrossiapatite e farmaci antinfiammatori, una sorta di dispensatori di farmaco, poiché la medicina insieme alla ingegneria sta provvedendo negli ultimi anni allo sviluppo di nuovi dispensatori per il rilascio controllato dei farmaci efficaci per diverse patologie, questo aspetto ha ricevuto una notevole attenzione per
rilascio del farmaco e dell’assenza di tossicità sistemica dello stesso, proprio per la selettiva azione locale consentita dal dispensatore.
¾ In fine si è pensati di utilizzare l’idrossiapatite come agente remineralizzante con applicazione in odontoiatria, infatti recenti studi hanno dimostrato il suo effetto benefico nella protezione del tessuto dentale.
Gli strumenti utilizzati per la caratterizzazione dei provini rivestono un ruolo fondamentale è possibile conoscere morfologia, composizione chimica, resistenza, stabilità termica, cristallinità e altre proprietà del materiale in oggetto. La preparazione di un campione, da sottoporre ad analisi, rappresenta un passo fondamentale e la cura da dedicare ad ogni operazione è dettata soprattutto dal tipo di informazione che si vuole ottenere.
I metodi di analisi vengono distinti in : morfologici, mineralogici,chimici e fisici.
¾ Morfologici ⇒
- Microscopia elettronica a scansione (SEM) - Porosimetro a Mercurio
¾ Mineralogici ⇒
- Diffrattometria a raggi x (Analisi mineralogica)
¾ Fisici ⇒
- Analisi termogravimetriche (TG,DTG,DSC) -Resistenza meccanica a compressione
¾ Chimici ⇒ Microanalisi (EDS) Spettrofotometria
È’ stato utilizzato anche il porosimetro a mercurio, per valutare il grado di porosità del campione, la presenza di macropori e di micropori sono molto
importanti ai fini delle crescita ossea, infatti una macroporosità di 300-500 mm consente alla cellula ossea di abitare il materiale, d’altro canto una microporosità con dimensioni microniche e submicroniche permette un elevato grado di interconnessione dei macropori consentendo l'interdiffusione dei fluidi attraverso tutto il materiale.
Successivamente sono state impiegate due diverse metodologie basate su processi di biomineralizzazione: una prima, in cui l’idrossiapatite precedentemente sintetizzata e caratterizzata è dispersa in una soluzione contenente molecole di collagene prive di telopeptidi ed una seconda in cui i nanocristalli d’idrossiapatite vengono nucleati direttamente sulle fibre di collagene.
I compositi sono stati caratterizzati e comparati, osservando che quelli ottenuti per
nucleazione diretta della fase inorganica su quella organica mostrano un’ intima interazione tra le due fasi che porta ad una modificazione della fase apatitica risultando simile, per composizione, morfologia e struttura alla componente minerale dell’osso naturale. L’importanza che assumono tali materiali, costituiti da nanocristalli d’idrossiapatite assemblati su fibre di collagene, deriva da un loro possibile impiego come sostituti ossei. Per ottenere biomateriali il più possibile simili all’osso naturale, si è cercato di sfruttare le cariche negative presenti sulle fibre di collagene derivanti dalla presenza di funzioni carbossiliche, per legare gli ioni calcio dell’idrossiapatite1 e quindi dare luogo ad una vera e propria interazione tra le due fasi.
Il tessuto osseo è un materiale composito, i cui costituenti principali sono fosfati di calcio (70% in peso), una matrice organica (20% in peso) costituita principalmente da fibre di collagene e acqua, in cui i nano-cristalli d’idrossiapatite crescono in stretto contatto con le fibre di collagene.
Le caratteristiche dei tessuti ossei artificiali sono notevolmente differenti da quelle del tessuto naturale e questo a causa dell’assenza di un’interazione vera e
Verranno presentati metodi per la realizzazione di materiali deputati alla protesizzazione nel settore ortopedico e oftamologico, odontoiatrico. Inoltre verranno mostrati gli studi condotti al fine di codificare il legame tra struttura- proprietà-funzione nei tessuti biologici