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Materiali bioattivi

1969
  • Larry L. Hench
Campioni di biovetro in un laboratorio per la ricerca sui biomateriali.

(Immagine generata a solo scopo illustrativo)

Bioactive materials are a class of biomaterials designed to elicit a specific, positive biological response at the material-tissue interface, resulting in the formation of a bond between them. Unlike bioinert materials that aim for minimal interaction, bioactive materials actively participate in healing processes. A classic example is Bioglass, which forms a hydroxyapatite layer on its surface, bonding directly to bone.

The concept of bioactivity was pioneered by Larry Hench with his 1969 invention of Bioglass® 45S5, a specific composition of 45 wt% SiO2, 24.5% CaO, 24.5% Na2O, and 6% P2O5. The mechanism of bone bonding involves a sequence of five surface chemical reactions. When exposed to bodily fluids, (1) rapid ion exchange of Na+ from the glass with H+ from solution occurs, creating a silica-rich layer. (2) This increases local pH, which causes (3) the glass network to break down, releasing silicic acid (Si(OH)4) and forming silanols (Si-OH) at the surface. (4) A high local concentration of calcium and phosphate ions, both from the glass and surrounding fluid, leads to the formation of an amorphous calcium-phosphate layer. (5) This layer crystallizes into hydroxycarbonate apatite (HCA), which is chemically and structurally similar to the mineral phase of bone. This HCA layer provides a bioactive scaffold for osteoblasts to colonize, differentiate, and deposit new bone matrix, creating a strong, direct, and seamless bond with the host bone. This process, known as osteointegrazione, is crucial for the long-term stability of implants. Furthermore, the dissolution products, particularly silicic acid, have been shown to stimulate genes within osteoprogenitor cells, upregulating the production of growth factors. This makes the material not only osteoconductive (a scaffold for bone growth) but also osteoinductive (actively stimulating new bone formation).

UNESCO Nomenclature: 3201
Scienze mediche

Tipo

Processo chimico

Interruzione

Rivoluzionario

Utilizzo

Uso diffuso

Precursori

  • sviluppo della scienza e della produzione del vetro
  • understanding of bone composition and the role of hydroxyapatite
  • utilizzo precoce di ceramiche inerti come l'allumina in ortopedia
  • progressi nelle tecniche di analisi delle superfici per studiare l'interfaccia materiale-tessuto

Applicazioni

  • innesti ossei e riempitivi vuoti in chirurgia ortopedica e dentale
  • rivestimenti su impianti metallici (ad esempio, steli dell'anca) per promuovere l'osteointegrazione
  • scaffolds for bone tissue engineering
  • componenti nei dentifrici bioattivi per la remineralizzazione dello smalto
  • medicazioni cicatrizzanti che stimolano la riparazione dei tessuti

Brevetti:

  • US3929971A

Idee e potenziali innovazioni

  • inchiostri bioattivi per la stampa 3D di strutture ossee specifiche per il paziente
  • otturazioni dentali a rilascio di ioni che inibiscono la carie secondaria e favoriscono la rigenerazione della dentina
  • mastici di vetro bioattivi iniettabili per la riparazione ossea minimamente invasiva
  • rivestimenti bioattivi per stent cardiovascolari che promuovono l'endotelizzazione e prevengono la restenosi
  • condotti di guida nervosa drogati con ioni bioattivi per migliorare la rigenerazione nervosa
  • bioactive glass nanoparticles for targeted cancer therapy (hyperthermia)
  • vetri bioattivi antimicrobici contenenti ioni d'argento o di rame per medicazioni delle ferite
  • cementi bioattivi per vertebroplastica che si integrano con l'osso spinale
  • impalcature che rilasciano ioni diversi in momenti diversi per orchestrare la formazione di tessuti complessi
  • materiali morbidi bioattivi (idrogel) per la rigenerazione della cartilagine e dei tessuti molli
Correlato a: bioattivo, vetro bioattivo, Larry Hench, idrossiapatite, osteointegrazione, legame osseo, scambio ionico, osteoinduzione, osteoconduzione, biomateriale ceramico.

Contesto storico

Materiali bioattivi

1960
1960
1969
1976-05-28
1980
1990
1960
1965
1970
1980
1980
1990

(se la data è sconosciuta o non rilevante, ad esempio "meccanica dei fluidi", viene fornita una stima approssimativa della sua notevole comparsa)

decimo anno anniversario

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