Qual è il significato speciale del trattamento superficiale degli impianti medici?

1. Migliora la biocompatibilità e riduce le reazioni di rigetto.
La biocompatibilità è un’esigenza importante per gli impianti medici. Ciò significa che i materiali non dovrebbero produrre reazioni negative come tossicità, sensibilizzazione, infiammazione o trombosi quando entrano in contatto con i tessuti umani. Il trattamento superficiale migliora le qualità superficiali degli impianti utilizzando approcci fisici o chimici. Questo li rende molto più biocompatibili.
Applicando metodi come la sabbiatura, l'incisione con acido e la lavorazione laser, sulla superficie dell'impianto vengono realizzate strutture ruvide su scala micro- o nano-. Ciò aumenta la superficie e l’area di contatto con i tessuti, il che aiuta le cellule ad aderire all’impianto e a crescere. Ad esempio, dopo essere stati sabbiati e mordenzati con acido, la ruvidità superficiale (valore Sa) degli impianti dentali può essere mantenuta tra 1 e 2 μm, il che può aumentare notevolmente la forza del legame osseo e accelerare il processo di guarigione.
Modificazione chimica: aggiunta di gruppi bioattivi come gruppi idrossilici e amminici alla superficie degli impianti o aggiunta di minerali che aiutano la crescita delle ossa, come stronzio e calcio, per migliorare l'interazione chimica tra materiali e tessuti. Dopo l'anodizzazione, sulla superficie della lega di titanio si forma uno spesso film di ossido. Vengono quindi utilizzati metodi elettrochimici per incorporare elementi di calcio e fosforo per imitare la composizione dell'osso naturale e incoraggiare lo sviluppo delle cellule ossee.
Tecnologia di biorivestimento: la bioceramica (come l'idrossiapatite) o i rivestimenti in vetro bioattivo vengono applicati sulla superficie degli impianti utilizzando tecnologie come la spruzzatura al plasma e la deposizione elettrochimica. Questi rivestimenti sono direttamente coinvolti nei meccanismi che fanno funzionare le ossa. Gli studi indicano che il tasso di osteointegrazione degli impianti rivestiti di idrossiapatite- supera quello degli impianti non trattati di oltre il 40%.
2. Migliorare la resistenza alla corrosione e allungare la durata
Gli impianti medici devono resistere a un'esposizione prolungata ai fluidi corporei umani, che possono essere facilmente corrosi da agenti corrosivi come ioni cloruro e proteine. Questa corrosione provoca la dissoluzione degli ioni metallici e il distacco dei rivestimenti, causando potenzialmente risposte infiammatorie o fallimento dell'impianto. Creando uno spesso strato protettivo, il trattamento superficiale aumenta notevolmente la resistenza alla corrosione degli impianti.
Trattamento di passivazione: dopo il trattamento con acido nitrico, sulla superficie degli impianti in acciaio inossidabile si forma una pellicola di passivazione di ossido di cromo. Questa pellicola impedisce agli ioni metallici di fuoriuscire e riduce il tasso di corrosione a meno di 0,001 mm/anno, che è ciò che è necessario per l'impianto a lungo-termine.
Tecnologia di ossidazione del microarco: un campo elettrico ad alta-tensione viene utilizzato per eccitare la scarica del microarco sulla superficie della lega di titanio. Questo crea una pellicola di ossido ceramico che contiene titanio, ossigeno e fosforo. Può diventare più duro di 1000 HV ed è tre volte più resistente all'usura rispetto alle normali pellicole di ossido anodico. Funziona bene per situazioni con molto peso, come le protesi articolari.
Utilizzando la tecnologia di deposizione fisica da fase vapore (PVD) o deposizione chimica da fase vapore (CVD), è possibile applicare TiN, TiAlN e altri rivestimenti duri su scala nanometrica sulla superficie degli impianti con uno spessore di soli 1–5 μm. Ciò può migliorare la resistenza alla corrosione di oltre il 50%, abbassare il coefficiente di attrito e ridurre la quantità di particelle di usura prodotte.
3. Conferirgli proprietà antibatteriche e ridurre la possibilità di ammalarsi
Le infezioni che si verificano dopo l’intervento chirurgico sono uno dei motivi principali per cui gli impianti medici falliscono. Ad esempio, le infezioni negli impianti ortopedici, cardiovascolari e di altro tipo possono verificarsi nell'1%-5% dei casi. Il trattamento superficiale funziona bene per impedire ai batteri di attaccarsi alle superfici e formare biofilm creando superfici che uccidono i batteri o aggiungendo sostanze chimiche antibatteriche.
Innesto superficiale di gruppi antibatterici: gruppi antibatterici come sali di ammonio quaternario e fluoruri vengono aggiunti alla superficie dell'impianto mediante trattamento al plasma o innesto chimico. Ciò modifica la struttura della membrana cellulare batterica e ha effetti antibatterici di lunga durata. Ad esempio, un rivestimento antibatterico contenente argento può uccidere il 99% dello Staphylococcus aureus e rimanere efficace per più di 30 giorni.
Rivestimento intelligente-sensibile alla luce: comporta l'inserimento di fotosensibilizzatori (come composti porfirinici) sulla superficie degli impianti e l'utilizzo della luce di una determinata lunghezza d'onda per produrre specie reattive dell'ossigeno (ROS) che distruggono i germi senza danneggiare le cellule ospiti. Questo metodo è stato utilizzato per disinfettare le superfici di apparecchiature che potrebbero facilmente diffondere infezioni, come endoscopi e cateteri.
Il rivestimento antibatterico e il rilascio del farmaco lavorano insieme: antibiotici come vancomicina e gentamicina vengono aggiunti al rivestimento bioceramico per controllare la velocità con cui il rivestimento si rompe, rilasciando i farmaci. La concentrazione del medicinale nell’area può essere più di 1000 volte superiore alla concentrazione del farmaco nel sangue, che blocca le infezioni dopo l’intervento chirurgico.
4. Migliorare la capacità di osteointegrazione e il tasso di successo clinico.
Per gli impianti ortopedici, dentali e di altro tipo, la capacità di osteointegrazione è un aspetto significativo del successo clinico. Il trattamento superficiale accelera il processo di integrazione ossea controllando la forma, la composizione chimica e l'attività biologica della superficie, che aiuta le cellule ossee ad aderire, crescere e cambiare.
Tecnologia di trattamento con doppia mordenzatura acida: utilizzando due acidi (come l'acido misto HCl+H ₂ SO ₄ e la soluzione HNO 3) in un processo in due-fasi, viene creata una struttura dei pori multi-livello sulla superficie dell'impianto. Questa struttura ha una ruvidità di livello micrometrico- che fornisce forza di incastro meccanico e pori di livello- nanometrico che aumentano l'attività biologica, rendendo il legame tra l'impianto e l'osso più forte di oltre il 30%.
Stampa 3D di strutture porose: utilizzo della tecnologia di fusione laser selettiva (SLM) per realizzare impianti porosi in lega di titanio che sono porosi dal 60% all'80% e hanno pori larghi da 200 a 500 μm. Questo simula la struttura trabecolare dell'osso naturale, incoraggia la crescita dei vasi sanguigni e del tessuto osseo e raggiunge la "fissazione biologica". L’evidenza clinica indica che la durata dell’osteointegrazione degli impianti a struttura porosa è inferiore del 50% rispetto a quella delle strutture solide.
Modifica delle molecole bioattive: inserimento di molecole bioattive come la proteina morfogenetica ossea (BMP) e il collagene sulla superficie degli impianti per avviare percorsi di segnalazione che aiutano le cellule ossee a differenziarsi. Ad esempio, gli impianti modificati con BMP-2 possono ridurre il tempo necessario per l’osteointegrazione da 3 mesi a 6 settimane e aumentare il tasso di successo dell’impianto a oltre il 98%.