Applicazioni cliniche del tantalio poroso

Il tantalio poroso è emerso come un materiale miracoloso nell'ingegneria biomedica grazie alla sua eccellente biocompatibilità, alla resistenza alla corrosione e alle proprietà che corrispondono alla meccanica dell'osso naturale. Inizialmente sintetizzato per l'ortopedia, attualmente il suo utilizzo si è esteso anche all'odontoiatria, ai dispositivi cardiovascolari e alla medicina rigenerativa sperimentale. Vediamo le sue applicazioni sperimentali e cliniche.

[1]

Perché il tantalio poroso?

Il tantalio è un metallo refrattario che presenta numerosi vantaggi quando viene utilizzato come biomateriale. Il tantalio poroso è particolarmente ricercato per l'osteointegrazione e la stabilità biologica a lungo termine.

Il tantalio poroso viene prodotto depositando il tantalio su un'impalcatura, creando una struttura altamente uniforme e interconnessa ideale per gli impianti medici. Il tantalio espanso, prodotto con metodi di sinterizzazione o di porta-spazio, ha una struttura dei pori meno regolare ed è tipicamente utilizzato in applicazioni strutturali o sperimentali in cui è accettabile una minore precisione.

Il tantalio poroso possiede diverse proprietà significative che si adattano bene alle applicazioni biomediche.

• Elevata porosità, fino all'80%, per la crescita e la vascolarizzazione dei tessuti.
• Il suo modulo elastico è molto simile a quello dell'osso cancelloso, riducendo al minimo la schermatura delle sollecitazioni e favorendo la trasmissione naturale del carico.
• Il tantalio poroso ha anche una resistenza superiore alla corrosione, rimanendo stabile e inerte in condizioni fisiologiche.
• L'elevato coefficiente di attrito gli conferisce inoltre la massima stabilità meccanica iniziale al momento dell'impianto.

Tutte queste caratteristiche rendono il tantalio poroso particolarmente adatto all'uso in impianti portanti e in scaffold di ingegneria tissutale.

Ulteriori letture: Tantalio: Proprietà e applicazioni

[2]

1. Impianti ortopedici

Il tantalio poroso è ampiamente utilizzato nella chirurgia ricostruttiva ortopedica, in particolare nei pazienti con gravi perdite ossee o scarsa qualità dell'osso.

--Artroplastica di anca e ginocchio con tantalio poroso

Il tantalio poroso è stato un materiale efficace per gli interventi di artroplastica dell'anca e del ginocchio più impegnativi. La stabilità meccanica combinata con un elevato potenziale di crescita ossea è particolarmente vantaggiosa nelle artroplastiche totali dell'anca (THA) e del ginocchio.

Nella PTA di revisione, le protesi modulari e i cotili acetabolari in tantalio poroso sono sempre più utilizzati per gestire perdite ossee estese e difetti acetabolari complessi. Questi impianti hanno una superficie altamente porosa che consente una rapida crescita dell'osso e, grazie al loro elevato coefficiente di attrito, permettono una forte fissazione primaria.

Un documento clinico di riferimento di Weeden e Schmidt (2008) ha verificato il 98% di sopravvivenza a cinque anni per i soggetti che avevano ricevuto cotili acetabolari in tantalio poroso nella PTA di revisione. L'articolo esaminava 43 revisioni acetabolari difficili, tra cui 33 difetti di Paprosky di tipo 3A e 10 di tipo 3B con grave perdita di osso ospite e discontinuità pelvica. In 26 di essi sono stati utilizzati rialzi modulari in tantalio per integrare il guscio acetabolare. Al follow-up medio di 2,8 anni, 42 componenti su 43 sono rimaste stabili e si è verificato un unico fallimento dovuto a mobilizzazione settica. [3]

Nell'artroplastica totale del ginocchio, i coni di tantalio poroso sono comunemente utilizzati nella gestione di ampi difetti ossei metafisari, offrendo sia una fissazione biologica che meccanica. I coni consentono di ripristinare il patrimonio osseo e di creare una solida base per la fissazione dell'impianto in caso di perdita ossea estesa.

--Gabbie per fusione spinale

Il tantalio ha dimostrato un enorme potenziale nella chirurgia di fusione spinale, in particolare come gabbie intercorporee per la procedura di fusione intercorporea lombare transforaminale (TLIF). Le gabbie in tantalio sono progettate per ottimizzare la stabilità spinale e promuovere l'integrazione ossea, riducendo al contempo il rischio di cedimento dell'impianto grazie alla compatibilità meccanica con l'osso contiguo.

Clinicamente, l'osteointegrazione delle gabbie di tantalio si è dimostrata superiore a quella dei materiali tradizionali, come il polietereterchetone (PEEK). Una valutazione retrospettiva di 40 pazienti sottoposti a TLIF ha valutato gli esiti, tra cui il sollievo dai sintomi, il ritorno alle attività e l'unione radiografica della fusione. Mentre entrambi i gruppi, gabbia metallica e gabbia in PEEK, hanno mostrato un miglioramento simile della funzione, sono state riscontrate notevoli differenze nella risposta ossea e nei risultati della fusione. [4]

A un anno di follow-up, l'osteolisi si è verificata nel 50% dei casi con gabbia in PEEK, rispetto al 10% della gabbia metallica. Inoltre, il 40% dei casi con gabbia metallica ha mostrato una fusione, di gran lunga superiore al 15% osservato con le gabbie in PEEK. Questi risultati indicano la natura osteoinduttiva del tantalio, oltre all'elevata biocompatibilità e competenza meccanica.

2. Impianti dentali

La biocompatibilità e la capacità di osteointegrazione del tantalio sono sfruttate negli impianti dentali per i pazienti con scarsa qualità ossea o con impianti precedentemente falliti. Il suo utilizzo è associato a tempi di guarigione ridotti e a una maggiore fissazione a lungo termine rispetto agli impianti standard in titanio.

Uno studio preclinico ha esaminato le prestazioni degli impianti dentali Trabecular Metal (TM) in tantalio rispetto agli impianti tradizionali con vite di ventilazione in titanio (TSV), su un modello di condilo femorale di coniglio. Nello studio, 20 impianti (10 TM e 10 TSV) sono stati inseriti in modo casuale in 10 conigli bianchi della Nuova Zelanda. Dopo una fase di guarigione di 8 settimane, gli impianti sono stati valutati con tomografia microcomputerizzata (micro-CT), istologia e istomorfometria. [5]

I risultati hanno mostrato che gli impianti TM hanno ottenuto risultati migliori rispetto agli impianti TSV per quanto riguarda il contatto osso-impianto (BIC) e il volume osseo (BV) nell'area di interesse. Gli impianti TM hanno registrato un BIC del 57,9% ± 6,5, rispetto al 47,6% ± 8 del TSV. Allo stesso modo, il BV era del 57% ± 7,3 per gli impianti TM e del 46,4% ± 7,4 per il TSV. Anche la valutazione Micro-CT ha confermato i risultati, con il gruppo TM che ha misurato una percentuale di volume osseo dell'89,1% ± 8,7 rispetto al 79,1% ± 8,6 del gruppo TSV.

3. Ricostruzione cranio-maxillo-facciale

Le placche e le reti in tantalio poroso sono utilizzate nelle ricostruzioni facciali complesse, con conformità estetica e stabilità meccanica. La struttura a pori aperti consente l'integrazione dei tessuti molli e riduce il rischio di infezioni.

Il tantalio offre una maggiore capacità osteogenica rispetto ai materiali tradizionali, come il Ti6Al4V, ed è quindi particolarmente utile per stimolare la ricrescita ossea nelle regioni complesse della mascella e del viso.

Per affrontare la natura molto personalizzata dei difetti della CMF, la tecnologia di stampa 3D è stata impiegata per produrre impianti di tantalio poroso specifici per il paziente. In uno studio recente sono stati esaminati scaffold di tantalio stampati in 3D con modifiche superficiali nano-topografiche preparate mediante trattamento idrotermale. È stato riferito che questa ingegneria di superficie promuove la bioattività dello scaffold sostenendo l'adesione degli osteoblasti e innescando la differenziazione osteogenica delle cellule staminali del midollo osseo (BMSC). [6]

Conclusioni

Il tantalio poroso ha avuto un impatto diffuso sulla pratica della medicina, in particolare sulla chirurgia ortopedica e dentale. Con ulteriori progressi nella lavorazione e nella personalizzazione, il tantalio poroso è destinato a rimanere una pietra miliare dei biomateriali impiantabili di domani. Per ulteriori prodotti di tantalio e assistenza tecnica, consultare Stanford Advanced Materials (SAM).

Riferimenti:

[1] Mohandas, Gokhuldass & Oskolkov, Nikita & Mcmahon, Michael & Walczak, Piotr & Janowski, Miroslaw. (2014). Nanoparticelle porose di tantalio e ossido di tantalio per la medicina rigenerativa. Acta neurobiologiae experimentalis. 74. 188-96. 10.55782/ane-2014-1984.

[2] Wang X, Zhou K, Li Y, Xie H, Wang B. Preparazione, modifica e applicazione clinica di impalcature porose di tantalio. Front Bioeng Biotechnol. 2023 Apr 4;11:1127939. doi: 10.3389/fbioe.2023.1127939. PMID: 37082213; PMCID: PMC10110962.

[3] Steven H. Weeden, Robert H. Schmidt, The Use of Tantalum Porous Metal Implants for Paprosky 3A and 3B Defects, The Journal of Arthroplasty, Volume 22, Issue 6, Supplement, 2007, Pages 151-155, ISSN 0883-5403.

[4] Cuzzocrea F, Ivone A, Jannelli E, Fioruzzi A, Ferranti E, Vanelli R, Benazzo F. Gabbie in PEEK contro gabbie in metallo nella fusione posteriore dell'intercorpo lombare: uno studio comparativo clinico e radiologico. Musculoskelet Surg. 2019 Dec;103(3):237-241. doi: 10.1007/s12306-018-0580-6. Epub 2018 Dec 10. PMID: 30536223.

[5] Al Deeb M, Aldosari AA, Anil S. Osseointegration of Tantalum Trabecular Metal in Titanium Dental Implants: Studio istologico e Micro-CT. J Funct Biomater. 2023 Jul 6;14(7):355. doi: 10.3390/jfb14070355. PMID: 37504850; PMCID: PMC10382015.

[6] Zhang C, Zhou Z, Liu N, Chen J, Wu J, Zhang Y, Lin K, Zhang S. Osteogenic differentiation of 3D-printed porous tantalum with nano-topographic modification for repairing craniofacial bone defects. Front Bioeng Biotechnol. 2023 Aug 21;11:1258030. doi: 10.3389/fbioe.2023.1258030. PMID: 37671184; PMCID: PMC10475942.