Impianti ortopedici e dentali in titanio: sfide odierne e prospettive future

Milioni di persone in tutto il mondo si trovano a dover affrontare, soprattutto in età più avanzata, malattie degenerative delle ossa, che causano dolori e disabilità temporanee e/o permanenti. Dispositivi medici quali impianti ortopedici e dentali hanno migliorato, nel corso dei decenni, la qualità di vita di milioni di pazienti in tutto il mondo. In particolare, il numero di persone anziane che necessita di dispositivi medici è in aumento; la popolazione anziana, intesa come chi ha più di 65 anni, cresce globalmente e rapidamente, e in paesi come il Giappone, l’Italia e la Germania, il rapporto tra popolazione anziana e totale si attesta già al 20%. Per queste ragioni, nel giro di pochi decenni, si stima un’elevata richiesta di impianti biomedici sicuri e affidabili.

Sfide moderne e soluzioni

Le articolazioni umane possono sviluppare e soffrire di malattie degenerative, come l’osteoartrite, che portano a infiammazioni croniche, dolori e perdita delle funzionalità fisiologiche. Le malattie dell’apparato muscolo-scheletrico gravano enormemente sulla spesa pubblica: negli Stati Uniti queste costano 254 miliardi di dollari l’anno, e nell’Unione Europea la sola artrite reumatoide ha costi che si aggirano intorno ai 40 miliardi di euro l’anno.

Materiali artificiali sostitutivi rappresentano la soluzione a questi problemi, in quanto permettono al paziente di recuperare funzionalità motorie altrimenti permamentemente compromesse. Circa il 70% dei materiali strutturali adoperati come dispositivi medici per applicazioni ortopediche e dentali sono ad oggi materiali metallici. Il resto è costituito da materiali ceramici e polimerici. L’impianto metallico è preferibile per molte applicazioni per le sue ottime proprietà meccaniche, forza, robustezza e durabilità.

La sola artrite reumatoide costa oltre 40 miliardi di euro all'anno

Impianti metallici: quali caratteristiche devono possedere

Gli impianti metallici moderni attualmente in uso clinico possono essere divisi in gruppi a seconda del tipo di materiale: acciai inossidabili, leghe cobalto-cromio e leghe di titanio sono tutti adoperati per la fabbricazione di articolazioni artificiali, come per esempio la protesi dell’anca (vedi Figura), placche, viti ossee e radici dentali. Le leghe di metalli nobili quali argento, oro e platino sono adoperate invece principalmente per impianti dentali come per esempio corone, e ponti.

Una perfetta integrazione del materiale metallico all’interno del corpo umano ne richiede l’armonizzazione con altri materiali, quali particolari ceramiche simili alla struttura ossea e/o polimeri. Tutti questi materiali, oggi definiti biomateriali, sono studiati e prodotti affinché siano anallergici, sicuri e con ottime proprietà di compatibilità biologica. La sicurezza è il primo criterio di scelta.

Protesi dell'anca da Geetha et al., 2009

Titanio e le sue leghe: generazioni passate e future

Le leghe di titanio presentano caratteristiche che, per alcune applicazioni, le rendono superiori agli acciai (leghe di ferro e carbonio) e alle leghe cobalto-cromio. Furono inizialmente sviluppate per applicazioni aerospaziali, ma sono state immediatamente adoperate come materiali medici proprio per la loro elevata biocompatibilità e grande resistenza alla corrosione. Quest’ultima caratteristica è di fondamentale importanza nella progettazione di un biomateriale, in quanto i fluidi corporei rappresentano un ambiente molto aggressivo e corrosivo per l’elevata concentrazione di elettroliti (sali disciolti, proteine, ecc.) e di ossigeno disciolto.

Le leghe di titanio hanno molteplici vantaggi

Un ulteriore vantaggio delle leghe di titanio è la loro relativa leggerezza, se comparate agli acciai, e l’elevata somiglianza delle sue proprietà meccaniche rispetto a quelle dell’osso umano, che lo rendono il materiale di punta per applicazioni ortopediche.

Negli anni ’50 del secolo scorso sono state sviluppate e adoperate clinicamente le prime leghe di titanio, le quali costituiscono la prima generazione di biomateriali di titanio. Negli anni ’90 subentra la seconda generazione di questi materiali, ad oggi ancora in uso, con leghe di titanio ad elevate performance e durabilità estesa a 10-15 anni. All’epoca, la longevità richiesta per questi impianti era di una quindicina d’anni. Tuttavia lo scenario è cambiato, e grazie ai notevoli avanzamenti tecnologici nel campo medico, le persone hanno una prospettiva di vita più lunga, inoltre le prognosi successive ad eventi traumatici (come incidenti sportivi o stradali) hanno subito un netto miglioramento.

La longevità precedenemente considerata di 15 anni per l’impianto si sta rivelando oggi un limite, in quanto si osserva un enorme aumento delle operazioni chirurgiche di sostituzione, spesso non risolutive, con elevati costi sociali ed economici. Perciò gli impianti del prossimo futuro devono esercitare la loro funzione per un lasso temporale più lungo senza fallire e senza bisogno di essere sostituiti. Ciò stimola ricercatori di tutto il mondo, tra cui il sottoscritto, a sviluppare nuovi biomateriali ad elevata durabilità in grado di emulare al meglio le funzionalità e le proprietà delle ossa umane, garantendo sicurezza e ottime performance.

Ludovico Andrea Alberta

Ludovico è un chimico di formazione e appassionato di divulgazione; attualmente sta svolgendo il dottorato di ricerca in Germania. Fa parte del progetto europeo BIOREMIA (www.bioremia.eu), e si occupa di sviluppare nuovi performanti biomateriali per applicazioni ortopediche e dentali per venire incontro alle problematiche sollevate nell’articolo di cui sopra. In particolare, Ludovico studia e progetta innovative leghe di titanio con intrinseche proprietà antibatteriche.

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Una soluzione semplice ad un problema complicato: il caso Karachi

Siamo alla fine degli anni '90 a Karachi, Pakistan, dove più di 4 milioni di persone vivono in condizioni precarie e di sovraffollamento all’interno di baraccopoli. I problemi igienici sono molteplici, le acque reflue scorrono all’aria aperta, povertà e malnutrizione sono all’ordine del giorno, le fonti d’acqua inquinate. La mortalità infantile sotto i cinque anni è altissima: muore un bambino su 10.

Non è una questione solo di infrastrutture fatiscenti o inesistenti, ma un profondo problema sociale, come è spesso il caso quando si parla di sanità pubblica: l’analfabetismo degli abitanti di quell’area non permetteva la diffusione di una corretta educazione sanitaria di base, non esistevano investimenti solidi per via di instabilità politica e corruzione. Oltre al fatto che la crisi dell’industria agricola mondiale portava sempre più persone a riversarsi nelle città, con un conseguente aumento dell’affollamento. Come porre rimedio alla mortalità infantile in un contesto così complesso? Regalando sapone.

L'episodio (di successo, come vedremo più avanti) di Karachi, quale esempio virtuoso di intervento sanitario, viene ben descritto nel bestseller The Checklist Manifesto, di Atul Gawande. Come racconta l’autore, il protagonista della nostra storia è il medico Stephen Luby, cresciuto in Nebraska, e assunto dal Center for Disease Control and Prevention (l’agenzia federale degli USA facente parte del Dipartimento della salute) per risolvere l’annoso problema pakistano, assieme alla locale organizzazione benefica HOPE.

La soluzione doveva prescindere da grandi cambiamenti sociali e strutturali, doveva essere economica e non doveva richiedere grandi conoscenze o tecnologie, visto il contesto specifico dove si doveva implementare. Luby era consapevole che la Procter & Gamble, multinazionale americana di beni di largo consumo (Dash, Mastro Lindo, Gillette, Braun, Pantene, la lista è lunghissima) desiderava dimostrare il valore del proprio nuovo sapone antibatterico Safeguard.

Così, nonostante lo scetticismo dei suoi colleghi, Luby convince l'azienda a sovvenzionare uno studio atto ad analizzare gli effetti di una campagna di promozione verso un corretto lavaggio delle mani, grazie a due saponi, con e senza l’agente antibatterico Triclocarban. A riprova del fatto che il finanziamento di un’azienda non è di per sé motivo di scetticismo nei confronti della scientificità delle ricerche, fu uno studio epidemiologico con tutti i crismi: a 25 quartieri vennero assegnati casualmente, in parti uguali, una delle due varianti di sapone, con l'agente antibatterico e senza. Venne indicato, a queste persone, che il sapone doveva essere usato in sei situazioni in particolare: per lavarsi il corpo, almeno una volta al giorno, per lavarsi le mani ogni volta dopo aver defecato, prima di asciugare un bambino, prima di mangiare, prima di preparare cibo per altri o servirlo. Vennero quindi raccolte informazioni sui tassi di malattia, e confrontati con altri 11 quartieri delle baraccopoli che fungevano da controllo.

I risultati, pubblicati su The Lancet nel 2005, furono straordinari: le famiglie dei quartieri dove venne condotto l’esperimento ricevettero in media poco più che 3 saponette a settimana per 1 anno, e durante tale periodo l'incidenza di diarrea tra i bambini diminuì del 52% rispetto a quella del gruppo di controllo, indipendentemente dal sapone utilizzato. L'incidenza della polmonite diminuì del 48%, e l'incidenza dell'impetigine, un'infezione batterica della pelle, del 35%. Tutto ciò avvenne nonostante l'analfabetismo, la povertà, l'affollamento e il fatto che, per quanto sapone usassero, le persone comunque continuavano a bere e a lavarsi con acqua contaminata.

Ironia della sorte, racconta Gawande, Procter & Gamble fu abbastanza delusa dai risultati; non per altro, ma perché Luby indirettamente dimostrò che l’aggiunta dell’agente antibatterico non faceva poi granché differenza, e che il semplice sapone era più che sufficiente. Che poi, come per altri esempi di grandi successi di sanità pubblica, non fu veramente il sapone in quanto sapone ad aver cambiato le cose; quanto più il fatto che rappresentava il veicolo attraverso il quale operare un cambiamento di comportamento. I ricercatori, infatti, non si limitarono a consegnare il sapone, ma assieme ad esso vennero date precise istruzioni su come usarlo. D’altronde il sapone nelle case di Karachi esisteva ben prima dell’arrivo di Luby, che però consegnandolo in forma gratuita, permise di rimuovere la barriera economica che limitava un consumo considerato smodato, come poteva essere quello di utilizzarlo così tanto spesso come raccomandato. Oltre al fatto, non scontato, che veniva donato un buon prodotto; arrivò un regalo, quindi, più che un’imposizione, regalo che arrivava con alcune semplici idee di base che avrebbero migliorato la vita degli abitanti di Karachi, e quella dei loro bambini.

Questa storia offre vari spunti di riflessione importanti; oltre a farci ragionare sul possibile ruolo, in questo caso determinante, delle imprese private in opere sanitarie, l’esempio di Karachi secondo Gawande può essere assunto a standard di quali devono essere le caratteristiche di un intervento sanitario perché sia di successo. Innanzitutto, la semplicità. Come già spiegato, era pressoché impossibile, almeno non in poco tempo, risolvere il problema della mortalità infantile attraverso un cambiamento radicale a livello sociale, culturale, di impianto di approvvigionamento idrico eccetera. Serviva qualcosa di semplice, i cui effetti (seconda caratteristica imprescindibile) potessero essere facilmente misurabili; attraverso un disegno sperimentale semplice e molto diffuso in ricerca clinica (trial controllato randomizzato), fu possibile analizzare gli effetti dell’uso del sapone sulla popolazione di interesse, e attribuire i miglioramenti circa l'incidenza di malattia all’intervento in esame. Infine, terza e ultima caratteristica, l’esperimento di Luby era trasmissibile, ovvero facilmente comunicabile tra persone.

Siamo portati a pensare che i problemi in medicina e sanità in genere siano estremamente complessi, così tanto da non poter essere risolti attraverso semplici interventi come il sapone di Karachi. Quello che però spesso dimentichiamo è che, così come in molte altre discipline, non tutto è davvero complesso. Solo complicato. La differenza? Secondo un famosissimo Discussion Paper del 2002 a firma Glouberman e Zimmerman un qualcosa di complicato è divisibile in tante operazioni più semplici, mentre la complessità ha insita in sé talmente tanta variabilità da non poter essere schematizzata. Un esempio per meglio capire di cosa parliamo: spedire un razzo nello spazio è un’attività complicata, che può però essere più facilmente gestita suddividendo il tutto in tanti piccoli interventi, ognuno gestito dal proprio pool di esperti. Il caso può comunque entrare in gioco, ma esistono varie tecniche per ridurre il suo impatto al minimo, e controllarlo; così, sarà possibile costruire il nostro razzo e garantire, in futuro, ad altri, seguendo i nostri stessi procedimenti, di costruire a loro volta il loro. Cos’è invece un esempio di problema complesso? Crescere un figlio, dicono Glouberman e Zimmerman. Per quanta esperienza si possa fare come genitori, nessun figlio è uguale al precedente: non è possibile scrivere un libretto di istruzioni da seguire pedissequamente per ottenere sempre gli stessi risultati.

La scienza è complicata ma non sempre complessa. Riconoscere dove e come dividere i nostri problemi in piccoli e semplici step da risolvere è il primo passo per riuscire a trovare le risposte ai nostri interrogativi.

Carlotta Jarach

Fight or Flight: cos'è il meccanismo Combatti o Fuggi

Vi sarà sicuramente capitato nella vita di tutti i giorni che qualcuno vi tagliasse la strada d’improvviso, obbligandovi a sterzare per evitare un incidente, oppure che durante una corsa mattutina, lungo il percorso, un cane iniziasse ad abbaiare e a ringhiare contro di voi, costringendovi a cambiare direzione.

Questi scenari avranno innescato in voi la risposta fisiologica cosiddetta “Fight or Flight”, in italiano Combatti o Fuggi, descritta per la prima volta dal fisiologo americano Walter Bradford Cannon negli anni ‘20 del Novecento.

Questo meccanismo è la reazione che il nostro corpo mette in atto contro una minaccia e a livello evolutivo ci ha permesso di sopravvivere a situazioni di forte stress e pericolo per la nostra vita. Senza nemmeno dirgli cosa fare, il nostro corpo valuta cosa sta succedendo nell’ambiente circostante e determina le opzioni migliori per sopravvivere a quel determinato evento.

"Combattere" o "Fuggire" erano le uniche opzioni di scelta che i nostri antenati avevano di fronte ai pericoli circostanti. In entrambi i casi, la risposta fisiologica e psicologica al pericolo preparava il corpo a reagire alla minaccia. Oggi questa reazione è riconosciuta come parte del primo stadio della sindrome di adattamento generale, la quale regola le reazioni allo stress.

Cosa succede durante la risposta Fight-or-Flight?

L’amigdala, situata nell’encefalo, è la sentinella delle emozioni umane e percepisce all’istante un eventuale segnale di allarme. Questa ghiandola agisce sull’ipotalamo che a sua volta stimola l’ipofisi, portando alla secrezione dell’ormone ACTH (adenocorticotropo); nello stesso momento, il sistema nervoso simpatico stimola la ghiandola surrenale al rilascio di adrenalina. L'ACTH è importante per la secrezione del cortisolo, il cosiddetto ormone dello stress, anch'esso rilasciato dalla stessa ghiandola.

La messa in circolo di questi ormoni innesca una serie di fenomeni: il battito cardiaco accelera e con esso aumenta la pressione del sangue, la frequenza respiratoria accelera, la digestione rallenta e si riscontra una deviazione del flusso sanguigno ai principali gruppi muscolari allo scopo di dare al corpo una sferzata di energia e forza. Il corpo diventa teso, pronto a reagire.

Vi sono segnali, visibili sul nostro corpo, che mostrano l’attivazione di questo meccanismo di difesa:

• Le pupille si dilatano poiché nel momento del pericolo, il corpo si prepara a essere consapevole di ciò che lo circonda. La dilatazione consente la ricezione di più luce e quindi una migliore visione dell'ambiente circostante.

• La pelle diventa più pallida o arrossata, poiché il flusso sanguigno alle aree superficiali del corpo viene ridotto, aumentando in questo modo il flusso del sangue verso i muscoli, il cervello, le gambe e le braccia. È comune osservare del pallore o l’alternanza tra un viso pallido e arrossato quando il sangue scorre alla testa e al cervello. La capacità di coagulazione del sangue del corpo aumenta anche per prevenire un'eccessiva perdita di sangue in caso di lesioni.

• La frequenza cardiaca e respirazione accelerano così da fornire al corpo l'energia e l’ossigeno necessari per alimentare una risposta rapida al pericolo.

• Il corpo avverte tremori a causa dell’irrigidimento dei muscoli che si preparano all'azione.

Questa risposta allo stress spesso aiuta a ottenere risultati migliori in situazioni in cui si è sotto pressione, per incrementare la performance, al lavoro come a scuola. Nei casi in cui la minaccia pone in pericolo la vita, questo meccanismo gioca un ruolo fondamentale.

Sebbene questa reazione avvenga in maniera automatica ed involontaria, non significa che sia sempre accurata: spesso il nostro corpo reagisce a minacce trascurabili tramite questo meccanismo e le fobie sono esempi di come la risposta di lotta o fuga potrebbe essere falsamente innescata di fronte a una minaccia percepita.

Ad esempio, una persona che soffre di acrofobia, quindi terrorizzata dalle altezze, potrebbe sperimentare una reazione acuta allo stress salendo con l’ascensore verso un piano alto di un grattacielo. Il suo corpo potrebbe entrare in modalità allerta, con conseguente aumento del battito cardiaco, e, se la risposta fosse esagerata, potrebbe causare un attacco di panico.

Comprendere la risposta naturale di lotta o fuga del corpo è un modo per aiutare a fronteggiare tali situazioni.

La risposta allo stress è uno dei principali argomenti studiati nel campo della psicologia della salute. L’interesse di questa branca di ricerca è focalizzato sull’aiutare le persone a trovare modi per combatterlo, in modo da vivere una vita più sana e produttiva. Apprendendo di più sulla risposta di lotta o fuga, gli psicologi possono quindi aiutare le persone a esplorare nuovi modi per affrontare la loro reazione naturale verso situazioni che causano forte stress.

Giorgia Sasson