2.1 Impianti metallici neurologici
I dispositivi metallici impiantati usati terapeuticamente per trattare varie condizioni neurologiche includono stimolatori cerebrali profondi per trattare i deficit motori associati alla malattia di Parkinson (Duker e Espay, 2013), e clip aneurismi e bobine endovascolari utilizzati per sigillare gli aneurismi nei vasi sanguigni cerebrali (Killer et al., 2010). A livello diagnostico, possono essere utilizzati come componenti di array di microelettrodi per il monitoraggio cronico dell’attività elettrica del cervello. I dispositivi neurologici metallici impiantati sono composti da una serie di leghe, tra cui il titanio (principalmente Ti6Al4V) e il cobalto. Gli elettrodi di registrazione sono spesso realizzati in platino puro, anche se altri metalli come il tungsteno, la lega platino-iridio, o l’acciaio inossidabile (rivestito con un materiale isolante) sono stati utilizzati (Prasad et al., 2012), e materiali a base di silicio sono in fase di esplorazione come alternative non metalliche alle leghe metalliche per elettrodi intracranici (Groothuis et al, 2014).
La risposta generale del tessuto che si verifica dopo l’impianto di leghe nel cervello comporta l’attivazione delle cellule gliali e la formazione di una cicatrice gliale (Griffith e Humphrey, 2006; Winslow e Tresco, 2010; Groothuis et al., 2014). Alcuni materiali metallici sono molto più biocompatibili con il tessuto cerebrale rispetto ad altri e quindi servono come materiali utili per la fabbricazione di dispositivi neurologicamente impiantati. Stensaas e Stensaas (1978) hanno condotto uno studio completo per valutare la risposta istopatologica dei materiali metallici impiantati nel cervello. Hanno trovato che i fili fatti di germanio puro, argento, ferro, rame o cobalto hanno prodotto una risposta altamente tossica nel cervello del coniglio dopo l’impianto. Tantalio, molibdeno e lega di nichel-cromo hanno prodotto una risposta “reattiva” caratterizzata dalla presenza di cellule giganti multinucleate nel tessuto peri-impianto e un sottile strato di tessuto connettivo. I materiali relativamente non tossici in questo studio includevano alluminio, oro, tungsteno e platino. Analogamente, Yuen et al. (1987) hanno scoperto che i dischi di platino impiantati subduralmente nel coniglio avevano un profilo di biocompatibilità accettabile, mentre i dischi di argento-cloruro di argento producevano una risposta drammatica del tessuto, compresi edema e gliosi. Mofid et al. (1997) hanno valutato la biocompatibilità dei materiali metallici di fissaggio nel cervello del coniglio e hanno notato la classica risposta infiammatoria ai materiali impiantati, ma hanno osservato in modo interessante che la risposta ai diversi materiali variava nel tempo. Per esempio, una grande risposta infiammatoria è stata vista nel cervello 2 settimane dopo l’impianto di titanio puro, ma la risposta istologica al titanio si è risolta nel tempo ed era simile a quella prodotta dal Vitallium (una lega di cobalto-cromo-molibdeno ampiamente utilizzata per i dispositivi impiantati), e al materiale di controllo negativo (elastomero di silicone) 26 settimane dopo l’impianto. Al contrario, l’acciaio inossidabile 316L ha prodotto una risposta infiammatoria progressivamente crescente a 8 e 26 settimane, e la risposta dei leucociti a 26 settimane è stata maggiore di quella prodotta dal titanio o dal Vitallium. La composizione della lega di acciaio inossidabile gioca un ruolo nella gravità della risposta istologica dopo l’impianto. Per esempio, Dujovny et al. (2010) hanno riferito che varie leghe di acciaio inossidabile (per esempio 17-7PH, 405) non erano adatte all’impianto nel cervello a causa della loro elevata corrosione e della risposta istologica sfavorevole. Al contrario, l’acciaio 316MOS, insieme ad altre leghe come il titanio ed Egiloy (una lega di cobalto), erano più biocompatibili. Sono stati pubblicati diversi casi che descrivono lo sviluppo di encefalopatia in pazienti dopo l’uso di cemento osseo contenente alluminio per l’otoneurochirurgia (Renard et al., 1994; Hantson et al., 1995; Reusche et al., 1995). Livelli elevati di alluminio si sono verificati nel liquido cerebrospinale quando la dura madre è stata interrotta, il che ha dato al metallo accesso diretto al parenchima cerebrale.
La risposta istologica del cervello ai materiali metallici impiantati ha ovviamente un impatto sulla selezione delle leghe per la fabbricazione di dispositivi impiantati per via neurale. Anche altri fattori, come la compatibilità con la risonanza magnetica (MRI), possono giocare un ruolo nel determinare i migliori materiali da utilizzare negli impianti neurologici metallici. Per esempio, anche se sia l’Egiloy che il titanio sono stati utilizzati per realizzare clip per aneurismi intracranici, il titanio è la lega preferita perché ha l’ulteriore vantaggio di ridurre al minimo la formazione di artefatti durante la tomografia computerizzata e l’imaging radiologico MRI (Horiuchi et al., 2014).
Oltre a comprendere l’impatto tossicologico dei metalli rilasciati dagli impianti metallici, da una prospettiva clinica è anche importante considerare l’effetto che la risposta dei tessuti può avere sulle prestazioni del dispositivo. Questo fattore è particolarmente rilevante per le prestazioni degli elettrodi di registrazione cronicamente impiantati. La risposta da corpo estraneo prodotta dall’elettrodo nel cervello, in particolare l’incapsulamento dell’elettrodo da parte delle cellule gliali, si traduce in una ridotta capacità dell’elettrodo di rilevare i segnali neurali dal cervello. Sono in corso sforzi per identificare i materiali che riducono al minimo la risposta infiammatoria del cervello agli elettrodi impiantati e quindi risultano in migliori prestazioni del dispositivo.
In sintesi, anche se alcune leghe metalliche producono una risposta istopatologica sfavorevole dopo l’impianto nel cervello o in altri tessuti neurali, studi sperimentali hanno identificato alcune leghe con una risposta di biocompatibilità accettabile. Questi risultati permettono ai produttori di dispositivi medici di selezionare i materiali che danno le prestazioni cliniche più favorevoli quando vengono utilizzati per sviluppare dispositivi neurologici impiantati. I fattori da prendere in considerazione quando si seleziona un materiale metallico da utilizzare in un dispositivo neurologico impiantato includono la risposta del tessuto alla lega, così come la durata dell’impianto, il trauma del tessuto prodotto durante l’inserimento dell’impianto e la geometria del dispositivo (Groothuis et al., 2014).