Idrossiapatite biomimetica per tessuti connettivi duri

Nanoparticelle ceramiche e impianti porosi

Responsabili: Anna Tampieri, Simone Sprio

Personale coinvolto: Monica Sandri, Silvia Panseri, Monica Montesi, Massimiliano Dapporto, Marta Tavoni

L’idrossiapatite (HA) è il materiale elettivo per bio-dispositivi destinati alla rigenerazione ossea. Tuttavia, nella sua forma stechiometrica HA possiede scarsa bioattività e bio-riassorbibilità, mentre l’apatite biologica è caratterizzata da nanocristallinità e sostituzioni ioniche multiple che conferiscono specifiche funzioni biologiche.

In questo quadro, ISTEC possiede una profonda esperienza nello sviluppo di apatiti nanocristalline con diversi ioni estranei sostituenti calcio e/o fosfato, p.es.: Mg²⁺, CO₃^2-, Na⁺, K⁺, SiO₄^4-, Sr²⁺, Ga³⁺, Zn²⁺. Tali sostituzioni conferiscono maggiore bio-riassorbibilità e l’abilità di inviare segnali istruttivi per le cellule. Studi recenti riportano che questi segnali sono in grado di modulare il fato di cellule staminali umane e dirigere il loro appropriato differenziamento, grazie all’attivazione di un microambiente mimante la naturale matrice extracellulare. Questo ambiente consente al contempo di contrastare l’adesione e proliferazione di batteri, così da risultare come un promettente ausilio per ridurre le infezioni post-operatorie, stimolando al contempo i processi rigenerativi.

Le apatiti biomimetiche possono essere ottenute in forma di nanopolveri, le quali possono essere processate in granuli altamente bioattivi come riempitivi ossei. Inoltre, le polveri di apatite possono essere trattate per ottenere corpi consolidati funzionanti come target ceramici per tecnologie di deposizione fisica, destinati allo sviluppo di ricoprimenti bioattivi.
Le apatiti biomimetiche sono anche la base di impianti ceramici porosi 3-D (scaffold) per la rigenerazione di difetti ossei di dimensione critica, in particolare in ortopedia e chirurgia cranio-maxillofacciale. Gli scaffold possono essere ottenuti mediante diversi processi di formatura, come replica, foaming diretto, o freeze casting, i quali sono metodi basati sullo sviluppo di sospensioni ceramiche con proprietà reologiche altamente controllate e ottimizzate e con processi di sinterizzazione opportunamente definiti.
Gli scaffold sono progettati per presentare elevata bioattività e osteointegrabilità, grazie alla composizione chimica mimante quella dell’osso, e all’ottenimento di porosità aperta ed interconnessa, che induce e stimola la penetrazione di nuovo osso, vascolarizzazione e recupero di prestazioni biomeccaniche adeguate. Tali proprietà sono particolarmente desiderate in chirurgia craniale e maxillofacciale dove i nostri scaffold hanno già trovato applicazione in clinica con un sostituto osseo in idrossiapatite considerato materiale di elezione anche perché unico ad essere applicato nel bambino.
Allo scopo di ottenere superiori proprietà meccaniche abilitanti l’applicazione dei nostri scaffold in chirurgia maxillofacciale, in regioni caratterizzate da elevato sforzo meccanico, sono allo studio ceramici bioattivi rinforzati grazie all’uso di compositi di matrici calcio-fosfatiche con nano/microstrutture bioattive di rinforzo. Sono allo studio anche meccanismi di rinforzo meccanico pilotati da un’opportuna modulazione del drogaggio ionico nelle apatiti. Si è recentemente trovato che l’alterazione della struttura cristallina indotta dal drogaggio ionico induce modifiche nella composizione finale e nella microstruttura, a seguito di consolidamento termico, con cui è possibile modulare resistenza a frattura, bioattività e abilità antimicrobiche. Per ottenere una maggiore abilità di bio-stimolazione in vivo, lo scaffold può essere realizzato con proprietà magnetiche mediante miscelazione con fasi ceramiche magnetiche e sinterizzazione in atmosfera controllata per evitare la degradazione delle proprietà magnetiche.
Inoltre, gli scaffold ceramici porosi possono essere funzionalizzati mediante miscelazione con polimeri naturali o bio-erodibili per aumentare la resistenza a frattura e ottenere proprietà elastiche simili a quelle tipiche delle ossa. La reticolazione con agenti chimici biocompatibili consente di adattare il profilo di bio-degradazione e incorporare molecole bioattive quali farmaci e fattori di crescita, i quali possono poi essere rilasciati con cinetiche controllate.
Le durature collaborazioni con aziende attive nel campo biomedicale sono un importante fattore per lo sviluppo di nuovi biomateriali e dispositivi per risolvere necessità cliniche di rilevante impatto socio-economico. In particolare, la collaborazione con Finceramica S.p.A., in qualità di partner in differenti progetti di ricerca finanziati dalla EC e nazionali (es.: AUTOBONE, OPHIS, MAGISTER, Bioprotesi, Ageing), ha portato allo sviluppo di un brevetto internazionale a protezione delle apatiti biomimetiche, e di diversi prodotti commerciali.

Strumenti e Processi

Attrezzature

• Incubatore
• Forni per debonding
• Forni operanti in aria
• Liofilizzatore
• Miscelatori
• Strumentazione per la stampa 3D

Processi

Tecnologie utilizzate per sviluppare polveri di idrossiapatite ione-sostituita

• Sintesi chimica
• Processi di sinterizzazione

Tecnologie utilizzate per sviluppare scaffoldi porosi 3-D di grandi dimensioni

• Sintesi chimica
• Trattamento polveri
• Replica mediante templanti sacrificali
• Foaming diretto
• Freeze casting
• Processi di sinterizzazione

Principali collaborazioni

• Università di Trento
• Finceramica S.p.A.
• Istituti Ortopedici Rizzoli
• Università di Tolosa
• Università Friedrich Schiller di Jena
• Università di Brighton