Implant Tribune Italian Edition

14 Italian EditionAnno V n. 3 - Settembre 2011 Clinica & Ricerca Ricerca sugli effetti di una superficie bioattiva Conseguenze dell’impregnazione nanotecnologica di calcio fosfato sull’attività delle cellule ossee e sulla differenziazione osteogenica delle cellule mesenchimali V. Bucci Sabattini*, A. Minnici**, D. Sergiampietri*** *MD DDS - Professore ac. Implantologia Avanzata Università di Pavia, Centro Diagnostico Chirurgico Magentino. Magenta (Milano) **DDS - Centro Diagnostico Chirurgico Magentino. Magenta (Milano) ***MD DDS - Libero Professionista Marina di Carrara (Massa e Carrara) Abstract Oggetto e obiettivo del lavoro L’utilizzodellenanotecnologie per il trattamento della superfi- cie implantare è a oggi una delle novità volte ad ottenere una più rapida osteointegrazione e un aumento del BIC (Bone Implant Contact). In questo lavoro, gli AA ripor- tano i dati di una ricerca com- parata tra due tipi diversi di superfici implantari: una super- ficie sabbiata e mordenzata con acido (OLD) e una impregnata di calcio fosfato utilizzando la nanotecnologia (OSSEAN). Si sono confrontati impianti di morfologia simile, ma differenti per la nano struttura e la chimi- ca di superficie.I due campioni studiati sono entrambi impianti della Intra-Lock, Boca Raton, FL, USA. Materiali, metodi e fasi dello studio Lo studio, eseguito dai dott. Clara Cassinelli e Marco Mor- ra del laboratorio indipendente Nobil Bioricerche di Portacoma- ro (AT), protocollo e fasi del prof. Vincenzo Bucci Sabattini, sui diversi campioni analizzati, si è articolato in tre fasi: lo studio delle diverse superfici al SEM fino ad un ingrandimento di 200.000x, allo scopo di osserva- re e comparare le caratteristiche delle diverse superfici. In questa fase si è anche analizzata la chi- mica di superficie utilizzando la sonda XPS. Infine, misurando l’attività della Fosfatasi Alcali- na, si è controllata e comparata lavelocitàdiadesioneallasuper- ficie e della reduplicazione degli osteoblasti umani (cell. SaOS-2) e la differenziazione delle cellu- le mesenchimali in osteoblasti, in ambiente assolutamente pri- vo di stimoli osteogenetici, così da poter valutare l’effetto della superficie “per sé”. Conclusioni Per quanto si debbano anco- ra approfondire aspetti relativi alla novità del trattamento di superficie, si è potuto osservare un più rapido adattamento delle cellule blastiche, una loro mag- gior attività di reduplicazione e un effetto positivo sul recluta- mento delle cellule mesenchi- mali a contatto con la superficie Ossean, effetto migliore rispetto alla superficie con trattamento “standard” sandblasted/acid- etched. Introduzione Le proprietà fisico-chimiche della superficie degli impianti giocano un ruolo fondamenta- le rispetto alla qualità, veloci- tà e possibilità dello stabilirsi e di mantenimento nel tempo dell’osteointegrazioneeciòèpar- ticolarmente importante nelle procedure di carico immediato o precoce, oltre che nei siti che presentano osso di scarsa quali- tà. La superficie degli impianti, immediatamente dopo la messa a dimora, viene ricoperta da un layer proteico assorbito dall’am- biente, sia esso terreno di coltu- ra che tessuto biologico. La natura, lo spessore e tutte le caratteristiche di questo layer, sono determinate in massima misura dalle caratteristiche del- la superficie impiantare(1-3) . Gli stimoli provenienti dal- la superficie determinano in misura importante i dettagli del corpo delle cellule che presiedo- no all’avviamento e il successivo mantenimento del processo di osteointegrazione. In relazione ai dati emersi da numerosi studi sperimentali, si sonoquindisostituitigliimpian- ti macchinati con impianti che presentano una superficie trat- tata in modo tale da ottenere nicchie e anfrattuosità idonee ad un maggiore e più veloce attacco delle cellule ossee. Il passo successivo per ottene- re una reazione positiva del tes- suto osseo verso l’impianto, dopo la modificazione morfologica delle superfici, è stato quello di otteneresuperficichimicamente bioattive. Queste ulteriori ricer- che hanno dato risultati positivi sia in vitro che in vivo. Le cellule coinvolte nel pro- cesso di osteointegrazione sono soprattutto le cellule mesenchi- mali pluripotenti, che, liberate nel sito chirurgico e di deriva- zione perivascolare dalla midol- lare ossea, si differnziano nella linea osteogenica(4,5) . Nel caso di esperimenti con- dotti in terreno non osteoge- netico, come nel caso di questo studio sperimentale, che quindi dovrebbe conservare le cellu- le mesenchimali nel loro stato indifferenziato, è importante capire se la superficie impianta- re per sè, per la sua topografia o per effetto di stimoli chimi- ci adeguati provenienti dalla superficie stessa, è in grado di indurre la differenziazione desi- derata(6) . Molti dei trattamenti proposti sono basati sulla possi- bilità di arricchire la superficie implantare con l’addizione, il coating o l’impregnazione con CaHa o Calcio Fosfato. Il moti- vo per cui si è proposto questo tipo di trattamento è dovuto al fatto che la CaHa costituisce la fase stabile dello scheletro. L’osso cruentato quindi la rico- nosce come “self”, avviando un processo di guarigione assai più rapido di quello a contatto con ogni altro materiale, per quanto biocompatibile(7,8) . La nanotecnologia ha giocato un ruolo estremamente impor- tante in questa evoluzione. Si ritiene utile chiarire la definizione di nanotecnologia e chiarire la differenza tra nano- metrico e nonotecnologico. La nanotecnologia è un ramo della scienza applicata e del- la tecnologia che si occupa del controllo della materia su sca- la dimensionale inferiore al micrometro (in genere tra 1 e 100 nanometri) e della proget- tazione e realizzazione di dispo- sitivi in tale scala. Il termine nanotecnologia indica genericamente la mani- polazione della materia a livello atomico e molecolare, e in par- ticolare si riferisce a lunghezze dell'ordine di pochi passi reti- colari. Un passo reticolare è la distanza che separa i nuclei ato- mici in un solido. Siintendequindicheunmate- riale è nanotecnologicamente trattato quando se ne cambia la struttura atomica e molecolare, viceversa è “nano” in senso di misura, quindi misurabile in nanometri, quando è di dimen- sioni inferiori al micrometro. Sono stati proposti sul mer- cato alcuni trattamenti “nano”. Tuttavia osservando le imma- gini al SEM che abbiamo otte- nuto durante questa ricerca con immagini di altre super- fici sempre analizzate al SEM, si rende evidente almeno una fondamentale differenza: al massimo ingrandimento, sulla superficie Ossean, non apprez- zano materiali diversi, mentre su immagini analoghe di altre superfici si vedono chiaramente nano particelle adese. Poiché abbiamo riscontrato con la sonda XPS che la super- ficie Ossean presenta una com- posizione chimica di superficie composta per il 24% di calcio fosfato, possiamo affermare che questa variazione del materiale è determinata da un’effettiva variazione molecolare, mentre laddove sono visibili, identi- ficabili, nano particelle, esse ripetono il quadro di un coating superficiale. Questa non è differenza di poco conto: già antiche espe- rienze hanno dimostrato come il legame che si stabilisce tra osso e CaHa è assai più forte del legameindustrialeottenibiletra Titanio e CaHa. Le nano parti- celle potrebbero quindi staccarsi determinando una perdita per- centuale di BIC. D’altra parte non è possibile alcun distacco in un arricchimento molecolare. Materiali e metodi Si è eseguita una ricerca com- parativa per valutare l’adesione e la proliferazione cellulare su due diverse superfici: una acida- ta e sabbiata, l’altra trattata con procedimento nanotecnologico specifico, Ossaean® . Ai fini della ricerca si sono uti- lizzate cellule SaOS-2 da osteo- sarcoma umano e si è valutata la loro adesione e proliferazione a diversi tempi sperimentali. Furono analizzati 96 impianti: 48impiantiOLD(gruppodicon- trollo, trattati con sabbiatura con allumina e duplice mordenzatu- ra acida) e 48 OSSEAN® (gruppo test, trattati con impregnazio- ne nanotecnologica di Ca e P). Le fasi del lavoro sono state tre: Fase 1 La prima fase ha comportato la caratterizzazione topografica al SEM di entrambe le superfici oggetto della comparazione e la valutazione della loro chimica superficiale mediante Spettro- scopia a raggi X (sonda XPS). Fase 2 Comparazione dell’adesio- ne cellulare Osteoblastica sulla superficie Ossean® (nano- tecnologicamente trattata) e la superficie detta OLD classica- mente trattata: “blasted and acid etched”. Fase 3 Misurazione comparata dell’attività dell’enzima Fosfa- tasi Alcalina (ALP) cellulare, a contattoconleduediversesuper- fici ai tre tempi sperimentali. L’ALP è un indicatore preco- ce di attività di differenziazione cellulare. Agli stessi tempi speri- mentalièstatavalutatoil“reclu- tamento” e la differenziazione delle cellule pluripotenti mesen- chimali provenienti dal midollo osseo umano. Poiché non è anco- ra chiaro quali siano i fattori che determinano la differenziazione verso la linea osteoblastica delle cellule mesenchimali, uno degli obiettivi di questa ricerca è sta- to di valutare se la superficie “per sè” è in grado di stimolare la differenziazione delle cellule pluripotenti in osteoblasti, come desiderato. Valutazione della morfolo- gia e rugosità superficiale mediante microscopio elet- tronico a scansione (SEM) La morfologia superficiale delle due tipologie implantari è stata valutata mediante osserva- zione al microscopio elettronico a scansione (SEM) con Energy Dispersive X-ray analysis (EDX) L’analisi EDX ottenuta con son- da Oxford in grado di rilevare gli elementi a partire da Be con- sente di ottenere informazioni chimiche su un eventuale parti- colato e “macchie” presenti. La profondità campionata è di qualche micrometro, questo dato può integrare e completare il dato XPS. La valutazione quantitativa della rugosità è stata effettuata mediante analisi StereoSEM, grazie ad un software che per- mette di trasformare in dato tri- dimensionale l’immagine SEM convenzionale. IT pagina 15 Figg. 1, 2 - A piccolo ingrandimento la superficie Ossean e (Fig. 2) la OLD, notare la superficie più finemente “lavorata” della superficie OLD.