Ogni anno, più di un milione di americani riceve una protesi artificiale dell'anca o del ginocchio. Tali impianti sono progettati per durare molti anni, ma in circa il 17% dei pazienti che ricevono una sostituzione articolare totale, l'impianto alla fine si allenta e deve essere sostituito precocemente, che possono causare complicazioni pericolose per i pazienti anziani.

Per ridurre al minimo queste operazioni gravose, un team di ingegneri chimici del MIT ha sviluppato un nuovo rivestimento per impianti che potrebbe aiutarli ad aderire meglio all'osso del paziente, prevenire guasti prematuri.

“Ciò permetterebbe all'impianto di durare molto più a lungo, alla sua vita naturale, con minor rischio di fallimento o infezione, "dice Paula Hammond, il David H. Koch Professor in Engineering al MIT e autore senior di un articolo sul lavoro apparso sulla rivista Materiale avanzato .

Il rivestimento, che induce le cellule del corpo stesso a produrre osso che fissa l'impianto in posizione, potrebbe anche essere usato per aiutare a guarire le fratture e per migliorare gli impianti dentali, secondo Hammond e l'autore principale Nisarg Shah, uno studente laureato nel laboratorio di Hammond.

Un'alternativa al cemento osseo

I fianchi artificiali sono costituiti da una sfera di metallo su uno stelo, collegando bacino e femore. La palla ruota all'interno di una tazza di plastica attaccata all'interno della presa dell'anca. Allo stesso modo, le ginocchia artificiali sono costituite da placche e da uno stelo che consentono il movimento del femore e della tibia. Per fissare l'impianto, i chirurghi usano cemento osseo, un polimero che assomiglia al vetro quando indurito. In alcuni casi, questo cemento finisce per rompersi e l'impianto si stacca dall'osso, causando dolore cronico e perdita di mobilità per il paziente.

“In genere, in tal caso, l'impianto viene rimosso e sostituito, che provoca un'enorme perdita di tessuto secondario nel paziente che non sarebbe avvenuta se l'impianto non avesse fallito, "Dice Shah. “La nostra idea è prevenire il fallimento rivestendo questi impianti con materiali in grado di indurre l'osso nativo generato all'interno del corpo. Quell'osso cresce nell'impianto e aiuta a fissarlo in posizione.

Il nuovo rivestimento è costituito da un film molto sottile, che vanno da 100 nanometri a un micron, composto da strati di materiali che aiutano a promuovere una rapida crescita ossea. Uno dei materiali, idrossiapatite, è un componente naturale dell'osso, costituito da calcio e fosfato. Questo materiale attira le cellule staminali mesenchimali dal midollo osseo e fornisce un'interfaccia per la formazione di nuovo osso. L'altro strato rilascia un fattore di crescita che stimola le cellule staminali mesenchimali a trasformarsi in cellule che producono ossa chiamate osteoblasti.

Una volta formati gli osteoblasti, iniziano a produrre nuovo osso per riempire gli spazi che circondano l'impianto, fissandolo all'osso esistente ed eliminando la necessità di cemento osseo. Avere tessuto sano in quello spazio crea un legame più forte e riduce notevolmente il rischio di infezione batterica intorno all'impianto.

“Quando si usa cemento osseo, si crea uno spazio morto tra l'osso esistente e lo stelo dell'impianto, dove non ci sono vasi sanguigni. Se i batteri colonizzassero questo spazio continuerebbero a proliferare, poiché il sistema immunitario non è in grado di raggiungerli e distruggerli. Un tale rivestimento sarebbe utile per evitare che ciò accada, "Dice Shah.

Occorrono almeno due o tre settimane affinché l'osso si riempia e stabilizzi completamente l'impianto, ma un paziente sarebbe ancora in grado di camminare e fare terapia fisica durante questo periodo, secondo i ricercatori.

Controllo sintonizzabile

Ci sono stati sforzi precedenti per rivestire gli impianti ortopedici con idrossiapatite, ma i film finiscono per essere piuttosto spessi e instabili, e tendono a staccarsi dall'impianto, Scià dice. Altri ricercatori hanno sperimentato l'iniezione del fattore di crescita o il suo deposito direttamente sull'impianto, ma la maggior parte finisce per drenare dal sito dell'impianto, lasciando troppo poco per avere alcun effetto.

Il team del MIT può controllare lo spessore del suo film e la quantità di fattore di crescita rilasciato utilizzando un metodo chiamato assemblaggio strato per strato, in cui i componenti desiderati vengono deposti uno strato alla volta fino a raggiungere lo spessore e la composizione del farmaco desiderati.

“Questo è un vantaggio significativo perché finora altri sistemi non sono stati davvero in grado di controllare la quantità di fattore di crescita di cui hai bisogno. Molti dispositivi in ​​genere devono utilizzare quantità che possono essere ordini di grandezza superiori al necessario, che può portare a effetti collaterali indesiderati, "Dice Shah.

I ricercatori stanno ora eseguendo studi sugli animali che hanno mostrato risultati promettenti:i rivestimenti portano a una rapida formazione ossea, bloccare gli impianti in posizione.

Questo rivestimento potrebbe essere utilizzato non solo per sostituzioni articolari, ma anche per placche di fissaggio e viti utilizzate per fissare le fratture ossee. “È molto versatile. Puoi applicarlo a qualsiasi geometria e avere un rivestimento uniforme tutt'intorno, "Dice Shah.

Un'altra possibile applicazione è negli impianti dentali. Convenzionalmente, l'impianto di un dente artificiale è un processo in due fasi. Primo, una vite filettata è incorporata nella mascella; questa vite deve stabilizzarsi integrandosi con il tessuto osseo circostante per diversi mesi prima che il paziente torni in clinica per avere la nuova corona attaccata alla vite. Questo potrebbe essere ridotto a un processo in una fase in cui il paziente riceve l'intero impianto utilizzando una versione di questi rivestimenti.

Questa ricerca è stata finanziata dal National Institute on Aging del National Institutes of Health e condotta presso il David H. Koch Institute for Integrative Cancer Research con il supporto dell'Institute for Soldier Nanotechnologies del MIT.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.