Materiali biocompatibili e chimica dei plasmi

Il concetto di biocompatibilità

La biocompatibilità è un parametro che indica la dannosità di una sostanza o di un materiale 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, come il titanio, l’idrossiapatite, i poliuretani e altre tipologie di polimeri. 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 dal sistema immunitario dell’organismo (Fig. 1).

Figura 1 – Rappresentazione schematica del concetto di biocompatibilità. Essa è definita come l’intersezione tra caratteristiche chimico-fisiche del materiale, esplicazione della sua funzione terapeutica verso l’organismo ospite e completa compatibilità (assenza di tossicità) con l’organismo a contatto con il materiale.

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 (es. fibroblasti) che vengono utilizzate estensivamente per valutare la biocompatibilità di biomateriali potenzialmente impiantabili.

Definizione di 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 (Fig. 2).

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.

Il problema da superare

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.

La biocompatibilità di un biomateriale deve conservarsi per l’intera durata dell’applicazione a cui è destinato.

I biomateriali si possono classificare in base alla loro natura chimica in metallici, polimerici, ceramici, compositi e biologici.

Una possibile soluzione: i plasmi

Un approccio innovativo per la creazione di superfici e materiali biocompatibili e/o anti-batterici si basa sulla modificazione della parte bulk del materiale o della superficie, mediante processi plasmochimici.

In chimica-fisica, il plasma (Fig. 3) è un gas ionizzato, costituito da un insieme di elettroni e ioni ma globalmente neutro (la cui carica elettrica totale è cioè nulla). In quanto tale, il plasma è considerato come il quarto stato della materia, che si distingue quindi dal solido, il liquido e l’aeriforme, mentre il termine “ionizzato” indica che una frazione significativamente grande di elettroni è stata strappata dai rispettivi atomi.

Figura 3 – Fotografia della camera interna di un reattore al plasma.

Fu identificato da Sir William Crookes nel 1879 e chiamato “plasma” da Irving Langmuir nel 1928. Le ricerche di Crookes portarono alla realizzazione dei cosiddetti tubi di Crookes, gli antenati dei tubi catodici e delle lampade al neon.

Le cariche elettriche libere fanno sì che il plasma sia un buon conduttore di elettricità, e che risponda fortemente ai campi elettromagnetici.

Grazie a dei reattori al plasma è possibile funzionalizzare ad hoc le superfici di materiali e/o dispositivi medici di tutte le tipologie precedentemente elencate al fine di ottenere delle superfici biocompatibili e/o anti-batteriche.

Questo approccio si basa su un iniziale grafting di gruppi funzionali di adesione sulla superficie di un materiale mediante un processo plasmochimico in cui si utilizza un apposito monomero in relazione al tipo di funzionalità che si vuole innestare sulla superficie. Se ad esempio si vogliono graftare gruppi amminici e/o imminici si utilizza un gas di ammoniaca, ammoniaca/idrogeno o azoto/idrogeno mentre se si vogliono innestare gruppi polari contenenti ossigeno, come funzionalità alcoliche, carboniliche e carbossiliche, occorre utilizzare un gas contenente acqua, ossigeno o anidride carbonica.

Il passo successivo consiste nel depositare via plasma un ulteriore film polimerico biocompatibile, di natura variabile a seconda delle applicazioni del dispositivo.

Plasmi e superfici a rilascio controllato di farmaci

Un’altra importantissima applicazione di questo tipo di processi consiste nella realizzazione di superfici in grado di rilasciare in maniera controllata un determinato farmaco, come ad esempio un agente anti-batterico o anti-micotico, posizionato tra la superficie del materiale e un film polimerico di rivestimento depositato via plasma.

Uno dei settori di maggiore applicazione di questo fenomeno è quello tessile dove uno dei materiali più utilizzati per la realizzazione di tessuti anti-batterici in ambito ospedaliero è il polietilentereftalato (PET). Questo poliestere, mediante delle reazioni chimiche irreversibili è legato covalentemente via plasma a delle N-clorammine che rappresentano i gruppi chimici con proprietà anti-batterica grazie alla presenza del cloro. Queste proprietà antibatteriche sono state testate efficacemente su due dei batteri più diffusi in ambito ospedaliero, quali l’Escherichia coli e lo Stafilococco aureus.

Nicola Di Fidio

Sitografia

http://www.ing.unitn.it/~colombo/Materiali%20per%20l’implantologia%20dentale/7.%20Biocompatibilita.htm

Bibliografia

Pietro Favia, Riccardo d’Agostino. Plasma treatments and plasma deposition of polymers for biomedical applications. Surface and Coatings Technology, Volume 98, Issues 1–3, 1998, Pages 1102-1106.
Eloisa Sardella, Roberto Gristina, Giorgio S. Senesi, Riccardo d’Agostino, Pietro Favia. Homogeneous and Micro‐Patterned Plasma‐Deposited PEO‐Like Coatings for Biomedical Surfaces. Plasma Processes and Polymers, Volume1, Issue1, 2004, Pages 63-72.

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