La bioceramica entra nel nostro corpo

Dal XXI secolo, i nuovi materiali sono entrati gradualmente nella nostra vita quotidiana. La bioceramica, in quanto nuovo materiale, ha apportato grandi vantaggi alla vita e alla salute delle persone e negli ultimi anni ha ricevuto sempre più attenzione dal settore dei dispositivi medici e dei materiali biomedici.

La bioceramica è un tipo di materiale ceramico utilizzato per specifiche funzioni biologiche o fisiologiche, ovvero materiali ceramici direttamente utilizzati nel corpo umano o direttamente correlati al corpo umano, come la biologia, la medicina e la biochimica. È ampiamente utilizzato in ortopedia, odontoiatria, chirurgia plastica, chirurgia orale, chirurgia cardiovascolare e chirurgia oculistica grazie alla sua buona biocompatibilità e alle sue stabili proprietà fisico-chimiche.

In base all'utilizzo, le bioceramiche possono essere suddivise in bioceramiche d'impianto e bioceramiche di bioingegneria; in base all'attività delle bioceramiche in vivo, possono essere suddivise in bioceramiche attive e bioceramiche inerti. Questa notizia classifica le bioceramiche da queste ultime come segue.

Ceramica bioinerte

Le ceramiche bioinerti hanno proprietà chimiche stabili e una buona biocompatibilità, come l'allumina, la zirconia, ecc. e le loro proprietà fisiche e meccaniche e le proprietà funzionali corrispondono ai tessuti umani. Le loro caratteristiche principali sono l'elevata resistenza meccanica e la forte resistenza all'usura.

Zirconia (ZrO2)

Le ceramiche di zirconia sono di gran lunga i materiali dentali più resistenti e sono ampiamente utilizzate nelle protesi dell'anca in ortopedia. I materiali in zirconia e gli osteoblasti sono stati coltivati in vitro e la biocompatibilità è stata confermata. In ortopedia, le ceramiche di zirconio sono utilizzate principalmente per le articolazioni artificiali dell'anca. Tuttavia, la forza di adesione della ceramica di zirconio è insufficiente e ciò influisce sulla stabilità dell'adesione. Attualmente, per migliorare le prestazioni di adesione delle ceramiche, si applicano più metodi di trattamento superficiale, come l'incisione acida e la sabbiatura. Inoltre, la fragilità del materiale ceramico di zirconia ne pregiudica l'uso, per cui si è soliti adottare metodi di tempra per migliorarla.

Allumina (Al2O3)

Negli anni '70, la ceramica di allumina ha iniziato a essere utilizzata nella sostituzione totale dell'anca (THA). La ceramica di allumina, con una durezza di oltre 2000HV, è solo leggermente tossica per i fibroblasti umani in vitro e le sue proprietà meccaniche rimangono invariate per lungo tempo nell'ambiente interno. Con l'applicazione della tecnologia di pressione termo-isostatica e dell'incisione laser, la dimensione dei grani delle ceramiche di allumina di terza generazione è più piccola, la purezza e la densità sono più elevate, la resistenza e la durezza sono notevolmente aumentate e il tasso di frammentazione è ridotto. L'elevata durezza e la buona resistenza all'usura della ceramica di allumina ne fanno il principale materiale biologico in ortopedia PTA.

Carburo di silicio (SiC)

Negli ultimi anni si è cercato di applicare la ceramica di carburo di silicio nel campo della medicina orale. Come materiale implantare, la ceramica di carburo di silicio è stata sempre più favorita dalla ricerca scientifica e dalla ricerca clinica, e sono stati effettuati lavori esplorativi sugli aspetti della biocompatibilità e della tossicità. Sulla superficie delle ceramiche in carburo di silicio è stato preparato un rivestimento in bioglass, che ha ulteriormente migliorato l'attività biologica delle ceramiche in carburo di silicio.

Ceramica bioattiva

Le ceramiche bioattive, note anche come ceramiche biodegradabili, comprendono ceramiche bioattive di superficie e ceramiche bioassorbenti. Le ceramiche biosurfattanti contengono solitamente idrossile e possono essere porose, e il tessuto biologico può crescere e legarsi saldamente alla loro superficie. Le ceramiche bioassorbibili sono caratterizzate da un assorbimento parziale o totale e inducono la crescita di nuovo osso nell'organismo. Le ceramiche bioattive comprendono vetro bioattivo (fosfato di calcio), ceramiche a base di idrossiapatite e ceramiche a base di fosfato tricalcico.

Ceramiche a base di idrossiapatite (HAP)

Per migliorare le proprietà meccaniche dell'idrossiapatite, sono state migliorate le proprietà meccaniche dell'HAP compatto preparato. Tuttavia, la sua porosità apparente è relativamente piccola. Dopo l'impianto nel corpo umano, si può formare solo osso sulla superficie, che non ha la capacità di indurre la formazione ossea e può essere utilizzato solo come impalcatura per la formazione ossea.

Per questo motivo, la ricerca si concentra sulle ceramiche porose di idrossiapatite. È emerso che l'impianto in fosforo di calcio poroso imitava la struttura della matrice ossea e presentava un'induzione ossea, in grado di fornire l'impalcatura e il canale per la crescita di nuovo tessuto osseo. Pertanto, la risposta tissutale dell'impianto dopo l'impianto è stata significativamente migliore rispetto a quella della ceramica densa.

Ceramica bioglass

Il componente principale della ceramica bioglass è CaO-Na2O-SiO2-P2O5, che contiene più calcio e fosforo del normale vetro da finestra e può legarsi chimicamente all'osso in modo naturale e stabile. Ha proprietà uniche che lo distinguono da altri materiali biologici e può subire rapidamente una serie di reazioni superficiali nel sito di impianto, portando infine alla formazione dello strato di apatite a base di carbonato. La biocompatibilità della ceramica bioglass è buona. I materiali vengono impiantati nel corpo senza rigetto, infiammazione e necrosi tissutale, e possono formare legami con l'osso.

Attualmente, questo materiale è stato utilizzato per riparare le piccole ossa dell'orecchio e ha un buon effetto sul recupero dell'udito. Tuttavia, può essere utilizzato solo in parti del corpo in cui la forza non è elevata, a causa della sua bassa intensità. Il materiale preparato con il metodo sol-gel è caratterizzato da una buona purezza, un'elevata omogeneità, una buona attività biologica e un'ampia area superficiale specifica, che ha un migliore valore di ricerca e applicazione. In particolare, il materiale poroso di vetro bioattivo ha buone prospettive di utilizzo come impalcatura per l'ingegneria del tessuto osseo.

Solfato di calcio

Il solfato di calcio medico, in quanto cristallo semi-idrato, non ha effetti evidenti sul livello di calcio sierico nell'organismo dopo la completa degradazione. Dopo la combinazione con l'acqua, può diventare un impianto solido e può essere utilizzato come vettore di antibiotici idrosolubili. Il solfato di calcio si autocoagula a bassa temperatura e non provoca danni al tessuto nervoso periferico; inoltre, ha un potenziale osseo indotto e rilascia ioni di calcio. In collaborazione con un ambiente debolmente acido, gli ioni di calcio locali elevati possono legarsi al recettore sensibile al calcio degli osteoblasti per promuovere la proliferazione e la differenziazione delle cellule ossee e regolare la formazione di osteoide. Tuttavia, la capacità osteogenica degli stent di solfato di calcio puro è limitata e solo in presenza del periostio gli stent di solfato di calcio possono avere alcune proprietà osteogeniche alternative.

Punti caldi della bioceramica

Materiale composito

Per migliorare le proprietà meccaniche, la stabilità e la biocompatibilità delle bioceramiche, molti ricercatori di materiali hanno svolto numerose ricerche sulle bioceramiche composite. I materiali della matrice più comuni includono materiali polimerici biologici, materiali di carbonio, vetro biologico, bioceramiche a base di fosfato di calcio e altri materiali, mentre i materiali di rinforzo includono fibre di carbonio, fibre di acciaio inossidabile o di lega di base di cobalto, fibre ceramiche di biovetro, fibre ceramiche e altre fibre di rinforzo. Inoltre, sono presenti zirconia, bioceramica al fosfato di calcio, ceramica bioglass e altri rinforzatori di particelle.

Nanotecnologia

Grazie alle proprietà uniche dei materiali nanometrici, come l'effetto di superficie, l'effetto di piccole dimensioni e l'effetto quantico, i materiali bioceramici nanometrici hanno un'ampia prospettiva di applicazione, con prestazioni eccellenti nel campo della produzione e dell'applicazione clinica di materiali sostitutivi di tessuti duri come l'osso artificiale, l'articolazione artificiale e il dente artificiale.

Per quanto riguarda le ceramiche bioattive, attualmente la ricerca principale consiste nel simulare la struttura fine dell'osso naturale. Nell'osso naturale, l'idrossiapatite è costituita principalmente da cristalli aghiformi di 10-60 nm di lunghezza e 2-6 nm di larghezza. Pertanto, l'attuale ricerca sui nanomateriali HAP si concentra principalmente sui cristalli di nano-HAP, sui compositi nano-HAP/polimeri e sui materiali di rivestimento di nano-HAP.