L’utilizzo di materiali estranei all’organismo per correggerne alcune funzioni risale al tempo degli antichi egiziani, e fino alla metà del secolo scorso si è fatto ricorso a derivati di origine vegetale o animale.

L’avvento di materiali di sintesi ha di fatto determinato una svolta, fornendo sul piano teorico la possibilità tecnica di adattare le caratteristiche strutturali dei materiali alle necessità funzionali dell’organismo.

Purtuttavia rimangono da superare alcune difficoltà, che sottendono tutte alla differenza di base relativa al fatto di adattare materiali inerti a necessità biologiche invece vitali.

In questo senso, quindi, se in una prima fase la necessità dei biomateriali era quella di non provocare reazioni nell’organismo ospite, oggi si è alla ricerca di materiali in grado di provocarne reazioni controllate, mentre la sfida per i prossimi anni sarà quella di studiare nuove possibilità di commistione tra materiali inerti e tessuti ottenuti in laboratorio in grado di assicurare caratteristiche biologiche specifiche.

Al momento attuale, però, riteniamo utile sottolineare che le migliori garanzie nella routine clinica possano derivare dalla applicazione corretta dei materiali in ogni singolo caso clinico. Pertanto, preferiamo accennare alle caratteristiche fondamentali di alcuni biomateriali di più comune impiego nei reparti clinici, come i polimeri, le leghe metalliche e i materiali ceramici.

Polimeri. Rappresentano i materiali che hanno caratterizzato l’epoca moderna, e di fatto tutt’ora un settore di sviluppo importante (plastiche). I polimeri rappresentano una classe di materiali estremamente diversi, in cui la formulazione chimica e la tecnica costruttiva sono indirizzate all’ottenimento di specifiche tecniche preconfigurate.

Tra questi, in ortopedia vengono largamente impiegati il polietilentereftalato (Dacron) e il politetrafluoroetilene (Goretex) per la preparazione di legamenti artificiali; le fibre poliaramidi (Kevlar) come rinforzo di alcune protesi, oltre che di legamenti e tendini, i polimetilmetacrilati (PMMA) per la costituzione del cemento osseo.

In particolare per il PMMA, la scelta di questo materiale è stata per lo più dettata dal precedente utilizzo in odontoiatria e da alcuni studi specifici di Wiltse e di Charnley (1960). Alcuni studi in tempi successivi hanno però posto alcuni interrogativi, talvolta gravi, soprattutto circa la possibilità che nei processi di cementificazione possano interferire in maniera determinante alcuni processi negativi che ne possano pregiudicare poi i risultati di resistenza. Oltre a ciò, sono stati posti alcuni limiti in termini di stabilità fisica e biologica nel tempo, soprattutto per processi di ossidazione e di degradazione da parte di enzimi presenti nelle membrane sinoviali e nei tessuti connettivali in genere. Allo stato attuale, riteniamo che l’impiego del cemento non vada demonizzato, soprattutto nel paziente con brevi attese di vita e nell’anziano, ma che nel contempo il suo impiego vada limitato nelle quantità minime necessarie nell’ambito di superfici di per se non troppo difformi tra loro.

I polimeri sono in genere caratterizzati da leggerezza e basso peso specifico, in relazione al carico in grado di sopportare, e non sempre devono essere considerati materiali di basso costo e bassa tecnologia, come spesso vengono intese in senso dispregiativo le materie plastiche.

Leghe metalliche. Il metallo che è stato preso a riferimento per molti anni è stato l’acciaio inossidabile. Lo sviluppo di diversi tipi di leghe del ferro ha potuto combinare doti di eccezionale resistenza meccanica a indici di ossidazione spesso ottimali, ma in molte applicazioni l’alto peso specifico e la scarsa configurabilità delle superfici ne ha reso superato l’impiego a favore di altri materiali. Rimane tuttavia un materiale a basso costo e di riferimento per alcune caratteristiche specifiche.

Da qualche anno è stata rivalutata la possibilità di impiego delle leghe di alluminio e soprattutto di titanio, sulla base dell’iniziale sviluppo in campo aeronautico. Il titanio, il cui costo elevato è da mettere in rapporto alla difficoltà dei processi di produzione e di raffinazione più che alla rarità intrinseca del materiale, è di per se molto duttile ma risulterebbe troppo tenero per l’impiego in molte applicazioni ortopediche, se non venisse utilizzato sotto forma di leghe diverse che ne esaltano alcune caratteristiche di leggerezza e resistenza meccanica, oltre che di resistenza nel tempo (alta resistenza ai processi ossidativi). In definitiva, il modulo di elasticità di Young è per il titanio circa la metà dell’acciaio inossidabile e delle leghe a base di cobalto, ed è quello più prossimo a quello dell’osso corticale. Oltre a ciò, le leghe di titanio sono caratterizzate da alta resistenza specifica (resistenza/densità) all’usura, e da limiti di rottura per fatica elevati, e queste qualità risultano fondamentali quando il metallo viene impiegato per parti in movimento (articolazioni) degli arti inferiori.

Materiali ceramici. Le ceramiche sono di impiego antichissimo, ma nel corso del tempo alcune diversità importanti in termini di materie prime e di lavorazione ne hanno, di fatto, stravolto il significato. Oggi con il termine di ceramica viene inteso in campo biomedico una classe difforme di materiali inorganici essenzialmente non metallici provvisti di requisiti funzionali (Vincenzini, 1991). Secondo questa definizione, il termine comprende oggi un insieme di materiali diversi, indipendentemente dalle materie prime e dalle tecnologie costruttive impiegate, come ad esempio i cementi e i vetri, che invece da taluni vengono considerati a parte per questioni storiche.

Il passato delle ceramiche è stato finora limitato dagli alti costi, ma il loro futuro è destinato ad espandersi grazie alla possibilità di preconfigurare, già in fase costruttiva, il raggiungimento di specifiche caratteristiche tecniche (meccaniche, termomeccaniche, nucleari, ottiche, elettriche e soprattutto biologiche) altrimenti difficili da ottenere.

La proprietà fondamentale che caratterizza le ceramiche è quella relativa al fatto che queste sono costituite da sostanze chimiche come calcio, fosforo, potassio, magnesio, fosforo, ecc., che sono già di per sé elementi costitutivi e fondamentali dell’ambiente biologico in cui vengono impiantate. In questi termini, la reazione dell’organismo ospite può essere prevista, in base a tre specifiche possibilità, che prevedono la realizzazione di bioceramici (minimamente) inerti, a reattività superficiale e riassorbibili, ma in ogni caso i prodotti di degradazione non risultano tossici perché componenti già presenti abbondantemente nell’osso normale circostante.

Talvolta le caratteristiche biologiche delle ceramiche vengono impiegate in materiali compositi (ceramica-organico, ceramica-metallo, ceramica-ceramica) o per il rivestimento di superficie su metalli o su altre ceramiche con caratteristiche strutturali diverse.

Una caratteristica spesso tralasciata come accessorio non fondamentale è quella delle superfici di contatto, che devono essere lisce o corrugate o comunque preconfigurate in base alla reazione biologica desiderata.

La superficie di contatto con i tessuti biologici è invece importante per la stabilità della protesi, soprattutto a distanza di tempo, per i processi di degradazione, ma soprattutto, nel periodo post-operatorio, per i processi infiammatori ed infettivi. A questo prosito, conviene sottolineare il fatto che i vari tentativi per "verniciare" o inglobare all’interno delle molecole polimeriche sostanze antisettiche non hanno fornito risultati risolutivi, anche se nell’immediato futuro c’è da attendersi lo sviluppo di alcune novità importanti.

Oltre che all’aspetto bidimensionale delle superfici, un altro fattore determinante è la configurazione tridimensionale delle protesi. In una prima fase si è pensato a riprodurre le forme originarie dell’organo sostituito, ma oggi si preferisce privilegiare la funzione anche attraverso strutture alternative, che possano limitare le superfici di contatto non necessarie a favore di quelle funzionalmente attive.

Nel futuro lo sviluppo di alcun i settori sarà determinante per poter giungere a risultati definitivi e duraturi nel tempo in campo protesico.

In particolare, la adozione di materiali compositi che prevedano la possibilità di comprendere l’impiego di sostanze farmacologicamente attive e tessuti biologici da colture cellulari, potranno costituire il miglior presupposto per ottimizzare i risultati in termini funzionali duraturi nel tempo.

Tali materiali potranno poi essere ulteriormente perfezionati nel loro collocamento funzionalmente più corretto, con l’ausilio di tecniche robotizzate che possano valutare opportunamente alcuni parametri solo teoricamente ed empiricamente valutati in sede operatoria.