Cosa succede alle protesi in titanio una volta che sono all’interno del corpo umano? Perché a volte vengono rifiutati o addirittura si rompono? Martina Ciova, ricercatrice dell’Empa, sta esplorando queste domande all’interfaccia tra impianti e tessuti e cellule umane, dove la scienza dei materiali incontra la medicina.

 

 

 

Grazie ai progressi della medicina, oggi le persone vivono più a lungo che mai.

Comprensibilmente, vogliamo anche rimanere in salute e mobili fino alla vecchiaia. Impianti e protesi possono sostituire articolazioni e denti usurati, alleviare il dolore e migliorare notevolmente la qualità della nostra vita.

I moderni impianti medici sono piccole meraviglie della scienza dei biomateriali e della bioingegneria.

Tuttavia, nonostante la loro sofisticatezza, le protesi a volte falliscono, il che può avere gravi conseguenze per i pazienti.

Perché si verificano questi guasti e perché si sono verificati più frequentemente negli ultimi anni? La ricercatrice dell’Empa Martina Cihova del laboratorio Joining Technology and Corrosion mira a scoprirlo.

Per fare ciò, sta esaminando da vicino il comportamento delle protesi all’interno del corpo.

La scienziata ha ricevuto una sovvenzione quadriennale Ambizione dal Fondo nazionale svizzero per la ricerca scientifica per il suo progetto di ricerca.

Molti impianti di uso comune, tra cui articolazioni artificiali, impianti dentali e pacemaker, sono realizzati in titanio.

Questo metallo di transizione è leggero e resistente, altamente durevole all’interno del corpo e particolarmente adatto a consentire al tessuto osseo di attaccarsi ad esso.

Queste proprietà favorevoli sono dovute a un sottile strato di ossido che si forma naturalmente sulla superficie del titanio quando esposto all’aria.

In definitiva, non è il titanio in sé, ma questo strato superficiale protettivo che entra in contatto con il corpo.

“Poiché questo strato passivo nativo ha uno spessore inferiore a dieci nanometri, spesso riceve troppa poca attenzione nella tecnologia medica e nella ricerca”, afferma Martina Cihova.

Inoltre, alcuni produttori modificano lo strato di ossido, ad esempio addensandolo per codificare a colori i tipi e le dimensioni degli impianti.

Altri irruvidiscono la superficie degli impianti per favorire l’integrazione ossea o incidono al laser il numero di serie per garantirne la tracciabilità. G

razie ai processi basati sul laser, ora è possibile anche la stampa 3D di impianti specifici per il paziente.

Queste sono tutte applicazioni utili, ma: “Qualsiasi trattamento può modificare gli ossidi di titanio sulla superficie dell’impianto”, afferma Cihova, “e c’è stata troppo poca ricerca su come questi cambiamenti influenzino l’interazione dell’impianto con il corpo e la sua resistenza alla corrosione”.

Con il suo progetto, la ricercatrice dell’Empa mira a colmare questa lacuna di conoscenze.
La sua passione per la scienza dei materiali è iniziata durante i suoi studi in bioingegneria, che l’hanno ispirata a spostare l’attenzione e perseguire un dottorato di ricerca in metallurgia per immergersi più a fondo nel mondo dei materiali.
Oggi combina entrambi i campi di competenza, concentrandosi sull’incontro tra il metallo, o ossidi metallici, e la biologia: l’interfaccia tra gli impianti e il corpo umano.

“Tali biointerfacce sono incredibilmente complesse, ma anche estremamente affascinanti”, afferma il giovane ricercatore. “Quando pensiamo alla corrosione, di solito pensiamo all’acqua di mare salata, all’aria umida, forse a una bicicletta arrugginita, ma non al corpo umano”.

Eppure il nostro corpo può essere un ambiente sorprendentemente aggressivo per i materiali, soprattutto quando si verificano reazioni immunitarie.

Le cellule immunitarie rilasciano varie sostanze che possono, ad esempio, abbassare il valore del pH e attaccare l’impianto.

Quindi, che effetto ha l’ambiente del corpo sui materiali che consideriamo stabili? Questa è la domanda al centro della ricerca sulla biocorrosione.

Questi processi sono molto complessi sia a livello (elettro)chimico che biologico. Inoltre, non tutto l’ossido di titanio è uguale.

Sebbene la sua composizione chimica, il TiO2, rimanga la stessa, l’ossido di titanio può esistere in tre diverse forme cristalline o in uno stato strutturale amorfo e “indefinito”.

Ognuna di queste forme ha diverse proprietà elettroniche ed elettrochimiche, che possono anche influenzare il modo in cui il materiale interagisce con il corpo.

Il trattamento superficiale degli impianti può alterare la struttura cristallina di questi ossidi, sia in tutto l’impianto che solo in aree selezionate.
Per capire in che modo questa eterogeneità locale influisce sulla già complessa biointerfaccia, Cihova e il suo team stanno adottando un approccio sistematico passo dopo passo.
In collaborazione con gli esperti per la lavorazione laser dei metalli dell’Empa di Thun, creano substrati campione con strati di ossido di titanio strutturati in modo diverso che variano sistematicamente nella loro eterogeneità.
Questi substrati vengono quindi esposti a fluidi corporei sempre più complessi per studiare le relazioni fondamentali tra struttura, proprietà e reattività dell’ossido.

«Iniziamo con fluidi fisiologici simulati che contengono solo acqua e ioni», spiega Cihova.

Il passo successivo prevede l’aggiunta di proteine come il fibrinogeno, che è coinvolto nelle risposte immunitarie e nella guarigione delle ferite. Infine, i ricercatori hanno in programma di studiare come si comporta la biointerfaccia a contatto con le cellule macrofagiche viventi, le forze di polizia del corpo.

A tal fine, stanno collaborando con i ricercatori dell’Empa di San Gallo. «Sono molto contento che siamo riusciti a coinvolgere i colleghi di tutte e tre le sedi dell’Empa per questo progetto», afferma Cihova.

“Le questioni complesse che stiamo affrontando sono intrinsecamente interdisciplinari e affrontarle richiede competenze in più campi”.

In ogni fase dello studio, le interfacce vengono studiate a fondo utilizzando metodi elettrochimici abbinati alla microscopia elettronica e a forza atomica ad alta risoluzione.
“Vedere è capire, anche se ciò significa ingrandire scale di lunghezza molto più piccole di una cellula umana”, afferma Cihova. “È qui che spesso si possono scoprire dettagli cruciali”.

Il ricercatore dell’Empa spera che i risultati dei prossimi anni portino a impianti più sicuri e affidabili.

E anche “che impariamo di più su come sfruttare efficacemente la notevole varietà di proprietà dell’ossido per specifiche applicazioni biomediche”.

Dopo il suo progetto Ambizione nel 2028, prevede di espandere i nuovi metodi ad altri materiali medici.

Cihova è convinta che questo campo di ricerca diventerà ancora più importante in futuro: «Il comportamento degli ossidi metallici nelle biointerfacce è anche la chiave per le loro prestazioni nei campi emergenti della nanomedicina e della tecnologia dei sensori impiantabili».

 

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